CN108155183A - 一种双面散热环氧塑封的车用功率模块 - Google Patents

一种双面散热环氧塑封的车用功率模块 Download PDF

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Abstract

一种双面散热环氧塑封的车用功率模块，它主要包括可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、芯片背面绝缘基板、芯片正面绝缘基板、引线框架、用于芯片正面焊接的高度块、铝线或铜线以及环氧塑封料；所述芯片部分正、反两面功率极，芯片背面和芯片正面绝缘基板导电铜层、引线框架以及高度块正、反两面均通过软钎焊焊接工艺实现主电路电气连接；所述芯片部分的信号极与芯片背面绝缘基板导电铜层通过wire bonding工艺进行控制电路的电气连接；所述芯片背面绝缘基板和芯片正面绝缘基板的另一侧铜层均裸露在环氧塑封料外，用于安装在散热器表面进行双面散热；本发明具有模块主电路内阻低、电气连接高可靠性以及大幅提高的散热能力等优点。

Description

一种双面散热环氧塑封的车用功率模块
技术领域
本发明涉及的是一种双面散热环氧塑封的车用功率模块，属于电力电子学领域的功率模块设计、封装和应用技术。
背景技术
目前绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块在新能源汽车领域的应用越来越广泛，对功率模块提出了高功率密度，高可靠性等要求，这就要求功率模块在结构和电路的高可靠性，诸如模块的散热能力、芯片正面电气连接的可靠性以及模块的整体自身电阻、电感均需得到进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种优异散热能力，功率模块电气连接高可靠性的双面散热环氧塑封的车用功率模块。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种双面散热环氧塑封的车用功率模块，它主要包括可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、芯片背面绝缘基板、芯片正面绝缘基板、引线框架、用于芯片正面焊接的高度块spacer、铝线或铜线以及环氧塑封料；所述的可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面通过软铅焊焊接在芯片背面绝缘基板导电铜层功率电路蚀刻区；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分正面功率极与高度块spacer的一面通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接；所述绝缘栅双极型晶体管芯片部分的信号极与芯片背面绝缘基板导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺进行信号和控制电路的电气连接；高度块spacer的另一面与芯片正面绝缘基板导电铜层通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接；引线框架的功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板的导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，并作模块功率和信号端的引出；所述芯片部分和芯片背面绝缘基板、芯片正面绝缘基板、引线框架以及高度块spacer部件通过环氧塑封工艺包裹在环氧塑封料中，并且芯片背面绝缘基板和芯片正面绝缘基板的另一侧铜层均裸露在环氧塑封料外，用于安装在散热器表面进行双面散热。
作为优选：所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面和芯片背面绝缘基板导电铜层功率电路蚀刻区通过软钎焊焊接方式连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含有Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分正面功率极和高度块spacer通过软钎焊焊接方式连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述绝缘栅双极型晶体管芯片部分的信号极与芯片背面绝缘基板导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺进行信号、控制电路电气连接；所述的wire bonding工艺是铝线键合以及铜线键合；
作为优选：所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面以及正面功率极表层覆盖Al/Ti/NiV/Ag或者Al/NiV/Ag可焊接金属材料层；芯片正面信号极表层覆盖Al/Cu并进行wire bonding工艺的金属材料层；芯片正面信号极包括控制门极信号、发射极信号、电流传感器信号极和温度传感器信号极；
所述的高度块spacer材质是AlSiC、AlC、Cu或Cu-Mo；所述高度块spacer的另一面与芯片正面绝缘基板导电铜层通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
作为优选：所述芯片背面的绝缘基板和芯片正面的绝缘基板是DBC绝缘基板或IMS绝缘基板，绝缘基板的结构是两侧为铜层，中间层为以氧化铝为主的绝缘层；
所述的引线框架功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板的导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，实现模块功率、信号端的引出；所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间。
所述的引线框架采用无氧铜制成，并在表面进行满足软钎焊焊接以及wirebonding工艺要求的处理。
所述引线框架在环氧塑封后切筋成型，并使裸露在环氧塑封料外的功率端子部分和信号端子部分电路断开，便于模块应用端功率以及信号电气连接。
本发明的优点是：通过高度块spcaer与绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分正面功率极软钎焊焊接方式实现芯片正面电气连接，相较于传统工艺wire bonding工艺的电气连接方式，增大了电气连接的接触面，有利于提高功率模块主电路电气连接的可靠性，减小模块主电路电感和电阻，且高度块spcaer热容的存在有利于绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分抵抗模块工作中的瞬态热冲击，减小芯片结温波动，提高模块可靠性；
本发明通过将芯片背面绝缘基板、芯片、高度块spacer、芯片正面绝缘基板叠层焊接，实现芯片双面焊接，模块双面散热，从而提高模块功率密度。
附图说明
图1为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块的电路结构示意图。
图2为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块的正面外观结构示意图。
图3为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块的反面外观结构示意图。
图4为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块环氧塑封料透明化后的正面示意图。
图5为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块环氧塑封料透明化后的反面示意图。
图6为本发明所述绝缘栅双极型晶体管模块环氧塑封料、芯片正面绝缘基板透明化后的内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。图1-6所示，本发明所述的双面散热环氧塑封的车用功率模块，它主要包括可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1、芯片背面绝缘基板2、芯片正面绝缘基板3、引线框架4、用于芯片正面焊接的高度块spacer5、铝线或铜线6以及环氧塑封料7；所述的可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1背面通过软铅焊焊接在芯片背面绝缘基板2导电铜层功率电路蚀刻区；各绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1正面功率极与高度块spacer5的一面通过软钎焊焊接工艺实现主电路电气连接；各绝缘栅双极型晶体管芯片部分1的信号极与芯片背面绝缘基板2导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺来实现信号、控制电路电气连接；
所述的高度块spacer5的另一面与芯片正面绝缘基板3导电铜层通过软钎焊焊接工艺实现主电路电气连接；引线框架4功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板2导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，实现模块功率、信号端的引出；芯片部分1、芯片背面绝缘基板2、芯片正面绝缘基板3、引线框架 4以及高度块spacer5等部件通过环氧塑封工艺包裹在环氧塑封料7中，并且芯片背面绝缘基板2、芯片正面绝缘基板3的另一侧铜层均裸露在环氧塑封料7外，用于安装在散热器表面以实现双面散热要求。
图中所示，所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1背面和芯片背面绝缘基板2导电铜层功率电路蚀刻区通过软钎焊焊接方式连接，此焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1正面功率极和高度块spacer5通过软钎焊焊接方式连接，此焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述各绝缘栅双极型晶体管芯片部分1的信号极与芯片背面绝缘基板2导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺来实现信号、控制电路电气连接；wire bonding工艺可以是铝线键合以及铜线键合；
所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分1背面以及正面功率极表层覆盖Al/Ti/NiV/Ag或者Al/NiV/Ag等可焊接金属材料层；芯片正面信号极表层覆盖Al/Cu等可实现wire bonding工艺的金属材料层；芯片正面信号极包括控制门极信号、发射极信号、电流传感器信号极、温度传感器信号极；
所述高度块spacer5材质可以是AlSiC，AlC,Cu，Cu-Mo等，表面或有电镀要求，需需满足软钎焊焊接。
所述高度块spacer5的另一面与芯片正面绝缘基板3导电铜层通过软钎焊焊接工艺实现主电路电气连接，此焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述芯片背面绝缘基板2、芯片正面绝缘基板3可以是DBC绝缘基板、IMS绝缘基板；结构可以是两侧为铜层，中间层为以氧化铝为主的绝缘层；
所述引线框架4功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板2)导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，实现模块功率、信号端的引出；此焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述引线框架3采用无氧铜制成，表面处理需满足软钎焊焊接以及wire bonding工艺要求；
所述引线框架3环氧塑封后需切筋成型，实现裸露在环氧塑封料6外的功率端子部分和信号端子部分电路断开，且方便模块应用端功率以及信号电气连接。

Claims (4)

1.一种双面散热环氧塑封的车用功率模块，它主要包括可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、芯片背面绝缘基板、芯片正面绝缘基板、引线框架、用于芯片正面焊接的高度块spacer、铝线或铜线以及环氧塑封料；其特征在于所述的可双面焊接的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面通过软铅焊焊接在芯片背面绝缘基板导电铜层功率电路蚀刻区；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分正面功率极与高度块spacer的一面通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接；所述绝缘栅双极型晶体管芯片部分的信号极与芯片背面绝缘基板导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺进行信号和控制电路的电气连接；高度块spacer的另一面与芯片正面绝缘基板导电铜层通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接；引线框架的功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板的导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，并作模块功率和信号端的引出；所述芯片部分和芯片背面绝缘基板、芯片正面绝缘基板、引线框架以及高度块spacer部件通过环氧塑封工艺包裹在环氧塑封料中，并且芯片背面绝缘基板和芯片正面绝缘基板的另一侧铜层均裸露在环氧塑封料外，用于安装在散热器表面进行双面散热。
2.根据权利要求1所述的双面散热环氧塑封的车用功率模块，其特征在于所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面和芯片背面绝缘基板导电铜层功率电路蚀刻区通过软钎焊焊接方式连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含有Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分正面功率极和高度块spacer通过软钎焊焊接方式连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述绝缘栅双极型晶体管芯片部分的信号极与芯片背面绝缘基板导电铜层信号电路蚀刻区通过wire bonding工艺进行信号、控制电路电气连接；所述的wire bonding工艺是铝线键合以及铜线键合。
3.根据权利要求1或2所述的双面散热环氧塑封的车用功率模块，其特征在于所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分背面以及正面功率极表层覆盖Al/Ti/NiV/Ag或者Al/NiV/Ag可焊接金属材料层；芯片正面信号极表层覆盖Al/Cu并进行wire bonding工艺的金属材料层；芯片正面信号极包括控制门极信号、发射极信号、电流传感器信号极和温度传感器信号极；
所述的高度块spacer材质是AlSiC、AlC、Cu或Cu-Mo；所述高度块spacer的另一面与芯片正面绝缘基板导电铜层通过软钎焊焊接工艺进行主电路电气连接，所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述芯片背面绝缘基板和芯片正面的绝缘基板是DBC绝缘基板或IMS绝缘基板，绝缘基板的结构是两侧为铜层，中间层为以氧化铝为主的绝缘层。
4.根据权利要求1所述的双面散热环氧塑封的车用功率模块，其特征在于所述的引线框架功率端子部分和信号端子部分通过软钎焊分别焊接在芯片背面绝缘基板的导电铜层功率电路蚀刻区和信号电路蚀刻区，实现模块功率、信号端的引出；所述的焊接采用Snpb、SnAg、SnAgCu和PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；
所述的引线框架采用无氧铜制成，并在表面进行满足软钎焊焊接以及wire bonding工艺要求的处理；
所述引线框架在环氧塑封后切筋成型，并使裸露在环氧塑封料外的功率端子部分和信号端子部分电路断开，便于模块应用端功率以及信号电气连接。
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