CN109786272B - 具有内部测温功能的新型igbt封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，包外壳，外壳内设置有基板和设置在基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括多个极性引脚，两个对应设置的极性引脚之间通过连接线连接；连接线与下部的IGBT芯片之间构成测温区域，测温区域内设置有测温组件；测温组件包括感应段和传输段。本发明还提供了一种具有内部测温功能的新型IGBT封装方法，包括：准备基板，组装衬板并贴装IGBT芯片；采用连接线将IGBT芯片的极性引脚连接，形成测温区域；安装测温组件；将安装后的测温组件和基板等进行固化处理；将传输段引出外壳，进行绝缘固化；在第二光纤的端部安装光纤接头。本发明能够进行直接在线测量IGBT结温。

Description

具有内部测温功能的新型IGBT封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及光传感测温技术领域，尤其涉及一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构及封装方法。

背景技术

现如今，柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术，在控制传输电能的同时可独立调节无功功率。该技术可以解决目前交直流输电面临的诸多技术瓶颈，可以改善风电接入性能，大大提高低电压穿越能力和系统稳定性，是远距离海上风电并网的唯一技术手段，也是构建智能电网的重要技术手段。其中换流阀作为换流站内最重要的设备之一，其运行状态将直接关系到整个直流输电系统的安全，柔性直流输电换流阀由上千个功率子模块组成，每个功率子模块都需要独立控制，因此，柔性直流输电换流阀运行状态的表征数据量巨大，分析处理较为复杂。当前对柔性直流输电换流阀状态监测功能只是局限在子模块电容和IGBT的故障后检测及处理、以及阀塔的漏水监视上，不具备对阀组件其余关键元器件的监视功能，尤其对于运行中的子模块缺少在线分析手段，而且系统在运行过程中各个部件会受到周围环境的影响，从而出现故障，由于缺乏过程监测数据，无法查找真正故障原因。而对于IGBT的监测来说，IGBT结温是系统运行的关键参数，因此可通过对IGBT结温进行测量实现监测功能。传统的测量方法是IGBT整个装置的表面温度或将温度传感器设置在基板层等，这些方法所得结果均不能反映芯片真实的温度值，导致对IGBT结温监测值误差偏大。

目前的IGBT结温测量主要通过测量IGBT模块散热器的温度或通过IGBT和二极管的热阻进行计算获得的，均是一种间接的测量方法，该方法极易受到周围电磁波的影响，而且无法对IGBT结温进行在线监测。为解决以上问题，本发明提供了一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构及封装方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构及方法，通过将光纤光栅埋设在IGBT芯片的上表面，能够进行直接在线测量IGBT结温。

为实现所述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，包括外壳，外壳内设置有基板和设置在基板上的IGBT芯片，所述基板和IGBT芯片之间设置有一层衬板，所述IGBT芯片包括多个极性引脚，两个对应设置的极性引脚之间通过连接线连接；连接线与下部的IGBT芯片之间构成测温区域，所述测温区域内设置有测温组件；所述测温组件包括感应段和传输段；

所述感应段，用于感知IGBT内部的温度信号；所述传输段，用于将温度信号进行传输。

进一步地，所述感应段包括第一光纤和第一套管，所述第一光纤的中部设置有光栅，所述光栅设置在第一光纤内的中间位置，光栅以光栅周期为间隔水平分布；光栅裸露可见；第一光纤外部设置有第一套管，第一套管下部紧贴IGBT芯片设置；

所述传输段包括第二光纤，所述第二光纤外部设置有第二套管，所述第二光纤的端部穿出外壳且连接有光纤接头。

进一步地，所述第一光纤的端部与第一套管之间的距离为2~3mm；第二套管与第一套管的间距为2~3mm；所述第一光纤与第二光纤为一体成型结构。

进一步地，所述第一套管和第二套管均为由耐高温材料制成；所述耐高温材料为聚酰亚胺；

所述第一套管为一端封闭、另一端开口的管体；所述第二套管为两端开口的管体；

所述第一套管和第二套管的外径不大于1mm，壁厚为0.05~0.1mm。

进一步地，所述连接线呈并排的拱形布设，所述连接线均为铝线。

基于一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的一种具有内部测温功能的新型IGBT封装方法，包括以下步骤：

步骤1：准备基板，组装衬板，并贴装IGBT芯片；采用连接线将IGBT芯片的极性引脚连接，形成测温区域；

步骤2：在测温区域内安装测温组件的感应段和传输段；

步骤3：将安装后的测温组件和基板等进行固化处理；

步骤4：安装外壳，将传输段中的第二光纤引出外壳，进行绝缘固化；

步骤5：在传输段的第二光纤的端部安装光纤接头。

进一步地，所述步骤2具体包括：

感应段的第一光纤的端部从IGBT芯片的一端进入测温区域，使第一光纤上的光栅置于IGBT芯片的中心位置；

第一套管的开口处从IGBT芯片的另一端进入测温区域，并套在第一光纤的外表面；

采用环氧树脂胶将第一套管的两端与IGBT芯片固定。

进一步地，在所述步骤2之后，还包括：将传输段的第二光纤的外部套接第二套管，并采用环氧树脂胶在端部固定。

进一步地，所述步骤3具体包括：

将步骤2中处理后的IGBT芯片和基板等放入恒温箱固化，恒温箱温度设置为55~70℃，固化时间为3~8 h。

进一步地，所述步骤4具体包括：

将固化后的IGBT芯片安装外壳，外壳上设置有注胶孔，将传输段的第二光纤从注胶孔引出，在注胶孔内灌注绝缘胶，至绝缘胶凝固。

本发明的有益效果是：

1.本发明将具有将内部测温功能的器件的第一光纤和光栅构成光纤光栅，并将光纤光栅集成在IGBT模块内部，由于光纤光栅体积小、重量轻的特点，集成后的IGBT依然结构紧凑，完全不影响IGBT本身的结构及功能；在温度测量时，不需要额外的温度传感器，极大的简化了IGBT结温测量步骤。

2. 本发明IGBT结温测量结果的精准度更高，光纤光栅不受电磁场的干扰，电绝缘性好，耐潮湿耐化学侵蚀等恶劣环境；且光纤光栅质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；光纤光栅的检出量是波长信息，因此不受接头损耗、光路损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；同时光纤在单位长度上信号衰减小，其传输段的距离可达到数十公里，实现长距离信号传输，且不影响测量精度。

3. 本发明的封装过程简单易操作，只需在正常封装IGBT的过程中，加上光纤光栅的封装即可，不会对原有的封装造成麻烦。

附图说明

图1是本发明具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的结构示意图。

图2是本发明具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的测温组件的结构示意图。

图3是本发明具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的封装后的结构示意图。

图4是本发明具有内部测温功能的新型IGBT封装工艺的流程图。

附图中标号为：

1为衬板，2为IGBT芯片，3为第一套管，4为第二套管，5为第一光纤，6为第二光纤，7为连接线，8为极性引脚，9为外壳，10为注胶孔，11为光栅。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1：如图1~图3所示，一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，包括外壳9，外壳9内设置有基板和设置在基板上的IGBT芯片2，所述基板和IGBT芯片2之间设置有一层衬板1，所述IGBT芯片2包括多个极性引脚8，两个对应设置的极性引脚8之间通过连接线7连接；连接线7与下部的IGBT芯片2之间构成测温区域，所述测温区域内设置有测温组件；所述测温组件包括感应段和传输段；所述连接线7呈并排的拱形布设，所述连接线7均为铝线。

所述感应段，用于感知IGBT内部的温度信号；所述传输段，用于将温度信号进行传输。

所述感应段包括第一光纤5和第一套管3，所述第一光纤5的中部设置有光栅11，所述光栅11设置在第一光纤5内的中间位置，光栅11以光栅11周期为间隔水平分布；光栅11裸露可见；第一光纤5外部设置有第一套管3，第一套管3下部紧贴IGBT芯片2设置；

所述传输段包括第二光纤6，所述第二光纤6外部设置有第二套管4，所述第二光纤6的端部穿出外壳9且连接有光纤接头。

应当说明的是，第一套管3和第二套管4均能保证第一光纤5和第二光纤6均不受应力影响，对光栅11起到了保护作用，同时，第一光纤5和第二光纤6的传感特性不受影响。

作为一种优选的实施方式，所述第一光纤5的端部与第一套管3之间的距离为2~3mm；第二套管4与第一套管3的间距为2~3mm；设置的第二套管4与第一套管3隔开距离是为了让胶固定住第二套管4与第一套管3，同时胶还能流进去一点，把里面的第一光纤5也一并固定住，防止第二光纤6被拉动时把光栅11也拉动，保证光栅11固定在测温点不动。

所述第一光纤5与第二光纤6为一体成型结构。优选地，第一光纤5的端部与第一套管3之间的距离为1.5mm；第二套管44与第一套管33的间距为3mm。

作为一种优选的实施方式，所述第一套管33和第二套管44均为由耐高温材料制成；具体的，所述耐高温材料为聚酰亚胺；聚酰亚胺材料的耐温值高达300℃，更大程度的增大了IGBT的适用范围。

为进一步优化产品结构，所述第一套管3为一端封闭、另一端开口的管体；所述第二套管4为两端开口的管体；使得第一套管3和第二套管4更方便的与第一光纤5和第二光纤6套合；所述第一套管3和第二套管4的外径不大于1mm，壁厚为0.05~0.1mm，以此使第一套管3和第二套管4的大小与测温区域配合更加贴切。

作为一种可实施方式，本实施例中的第一光纤5和第二光纤6采用G652光纤。

实施例2：如图4所示，基于一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的一种具有内部测温功能的新型IGBT封装方法，包括以下步骤：

步骤1：准备基板，组装衬板1，并贴装IGBT芯片2；采用连接线7将IGBT芯片2的极性引脚8连接，形成测温区域；

步骤2：在测温区域内安装测温组件的感应段和传输段；

步骤3：将安装后的测温组件和基板等进行固化处理；

步骤4：安装外壳9，将传输段中的第二光纤6引出外壳9，进行绝缘固化；

步骤5：在传输段的第二光纤6的端部安装光纤接头。

所述步骤2具体包括：

感应段的第一光纤5的端部从IGBT芯片2的一端进入测温区域，使第一光纤5上的光栅11置于IGBT芯片2的中心位置；以保证光栅11测温的位置具有代表性。

第一套管3的开口处从IGBT芯片2的另一端进入测温区域，并套在第一光纤5的外表面；

采用环氧树脂胶将第一套管3的两端与IGBT芯片2固定。

应当说明的是，第二光纤6在外壳9内布设的过程中，拐弯处均需设置有一定的弯曲弧度，弯曲半径不小于3cm，防止第二光纤6被折断，影响使用寿命。

在所述步骤2之后，还包括：将传输段的第二光纤6的外部套接第二套管4，并采用环氧树脂胶在端部固定。

所述步骤3具体包括：

将步骤2中处理后的IGBT芯片2和基板等放入恒温箱固化，恒温箱温度设置为55~70℃，固化时间为3~8 h。

作为一种可实施方式，本实施例中，恒温箱设置的温度为60℃，固化时间为4h。

所述步骤4具体包括：

将固化后的IGBT芯片2安装外壳9，外壳9上设置有注胶孔10，将传输段的第二光纤6从注胶孔10引出，在注胶孔10内灌注绝缘胶，至绝缘胶凝固。以解决因注胶孔10过小，难以引出光纤接头的问题，同时防止第二光纤6的端面受损。

值得注意的是，第二光纤6的传输距离不受限制，可达到数十公里，使IGBT内部的测温信息能够远距离传输；第二光纤6的端部连接的光纤接头为FC/APC接头。

作为一种可实施方式，本实施例中，选取的IGBT芯片2的规格为10mm×10mm；第一纤的端部与第一套管3之间的距离保持在为1.5mm，以免影响感应段使用环境。

其中，第一光纤5上设置的光栅11的长度为5mm，第一套管33的长度为10mm，外径为0.9mm，内径为0.7mm，壁厚为0.1mm。

应当说明的是，封装好的IGBT在用于测温时，需外接光学检测系统，才能实现温度测量，第二光纤6的光纤接头直接连接光学检测系统即可。

一般的光学检测系统包括可调谐激光器、1×8分路器、3dB耦合器、光纤光栅11传感器、光电转换器、运算放大器、电流电压转换器、A/D转换器、数字信号处理器（DSP）、单片机和上位机组成。

其中，可调谐激光器扫描频率为1Hz，扫描带宽为40nm，扫描范围为1525nm~1565nm；可调谐激光器发出的光经过1×8光分路器将光功率均分为八份输出，经过3dB耦合器后进入感应段；感应段反射回来的光依次经过光电转换器、运算放大器、I-V转换器、A/D转换器转换为携带波长信息的数字信号，经DSP处理之后送入单片机，通过可调光源的同步信号和监测到的反射光信号，单片机经过相关运算获得感应段的反射中心波长并将数据传送至上位机，并通过基于LABVIEW的上位机软件进行处理解析后，能够将IGBT内部的实时温度显示在屏幕上，至此即可实现了IGBT内部结温的实时监测。

本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，包括外壳（9），外壳（9）内设置有基板和设置在基板上的IGBT芯片（2），所述基板和IGBT芯片（2）之间设置有一层衬板（1），其特征在于，所述IGBT芯片（2）包括多个极性引脚（8），两个对应设置的极性引脚（8）之间通过连接线（7）连接；所述连接线（7）呈并排的拱形布设；连接线（7）与下部的IGBT芯片（2）之间构成测温区域，所述测温区域内设置有测温组件；所述测温组件包括感应段和传输段；

所述感应段，用于感知IGBT内部的温度信号；所述传输段，用于将温度信号进行传输；

所述感应段包括第一光纤（5），所述第一光纤（5）的中部设置有光栅（11），第一光纤（5）外部设置有第一套管（3），第一套管（3）下部紧贴IGBT芯片（2）布设；

所述传输段包括第二光纤（6），所述第二光纤（6）外部设置有第二套管（4），所述第二光纤（6）的端部穿出外壳（9）且连接有光纤接头；第二套管（4）与第一套管（3）的间距为2~3mm；所述第一光纤（5）与第二光纤（6）为一体成型结构。

2.根据权利要求1所述的具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，其特征在于，所述光栅（11）设置在第一光纤（5）内的中间位置，光栅（11）以光栅周期为间隔水平分布；光栅（11）裸露可见。

3.根据权利要求2所述的具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，其特征在于，所述第一光纤（5）的端部与第一套管（3）之间的距离为2~3mm。

4.根据权利要求2所述的具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，其特征在于，所述第一套管（3）和第二套管（4）均为由耐高温材料制成；所述耐高温材料为聚酰亚胺；

所述第一套管（3）为一端封闭、另一端开口的管体；所述第二套管（4）为两端开口的管体；

所述第一套管（3）和第二套管（4）的外径不大于1mm，壁厚为0.05~0.1mm。

5.根据权利要求1所述的具有内部测温功能的新型IGBT封装结构，其特征在于，所述连接线（7）均为铝线。

6.基于权利要求1~5任一所述的一种具有内部测温功能的新型IGBT封装结构的一种具有内部测温功能的新型IGBT的封装工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备基板，组装衬板（1），并贴装IGBT芯片（2）；采用连接线（7）将IGBT芯片（2）的极性引脚（8）连接，形成测温区域；

步骤2：在测温区域内安装测温组件的感应段和传输段；

步骤3：将安装后的测温组件和基板进行固化处理；

步骤4：安装外壳（9），将传输段中的第二光纤（6）引出外壳（9），进行绝缘固化；

步骤5：在传输段的第二光纤（6）的端部安装光纤接头。

7.根据权利要求6所述的具有内部测温功能的新型IGBT的封装工艺，其特征在于，所述步骤2具体包括：

感应段的第一光纤（5）的端部从IGBT芯片（2）的一端进入测温区域，使第一光纤（5）上的光栅（11）置于IGBT芯片（2）的中心位置；

第一套管（3）的开口处从IGBT芯片（2）的另一端进入测温区域，并套在第一光纤（5）的外表面；

采用环氧树脂胶将第一套管（3）的两端与IGBT芯片（2）固定。

8.根据权利要求6所述的具有内部测温功能的新型IGBT的封装工艺，其特征在于，在所述步骤2之后，还包括：将传输段的第二光纤（6）的外部套接第二套管（4），并采用环氧树脂胶在端部固定。

9.根据权利要求6所述的具有内部测温功能的新型IGBT的封装工艺，其特征在于，所述步骤3具体包括：

将步骤2中处理后的IGBT芯片（2）和基板放入恒温箱固化，恒温箱温度设置为55~70℃，固化时间为3~8 h。

10.根据权利要求6所述的具有内部测温功能的新型IGBT的封装工艺，其特征在于，所述步骤4具体包括：

将固化后的IGBT芯片（2）安装外壳（9），外壳（9）上设置有注胶孔（10），将传输段的第二光纤（6）从注胶孔（10）引出，在注胶孔（10）内灌注绝缘胶，至绝缘胶凝固。

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