CN111627899A - 基于一种dbc布局的集成igbt封装结构 - Google Patents

基于一种dbc布局的集成igbt封装结构 Download PDF

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Abstract

本申请属于半导体封装以及功率模块领域，特别是基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，包括三相DBC结构，所述三相DBC结构的外部固定有框架，所述三相DBC结构的正面均焊接有多个芯片，三相DBC结构的背面直接焊接在散热器上，三相DBC结构中的各芯片之间相互连接，三相DBC结构直流端子处连接有叠层母排。本申请的三相DBC直接焊接到散热器上，这种工艺比传统工艺少了一层基板，极大的降低了热阻，提高了功率密度；同时这种工艺便于自动化实现，提高了生产效率。

Description

基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构
技术领域
本申请属于半导体封装以及功率模块领域，特别是基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构。
背景技术
随着功率半导体技术的发展，IGBT广泛应用于新能源汽车，新能源发电，轨道交通等，高效率和高功率密度也越来越成为应用中的关键指标。在这些应用中，IGBT常安装在散热器上，直流端子通过螺钉和母排端子相连，目前对功率密度要求高的应用中，IGBT底板采用PINFIN结构，用螺钉将IGBT模块固定到散热器水槽，水槽需要用密封垫密封，这种结构对安装工艺要求较高。另外由于IGBT直流端子和母排采用螺钉连接，直流环路面积大，导致杂散电感大，减小了IGBT工作安全区，减低了效率。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，现在提出能减小了热阻，提高了功率密度、减小了杂散电感，扩大了IGBT工作安全区的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，包括三相DBC结构，所述三相DBC结构的外部固定有框架，所述三相DBC结构的正面均焊接有多个芯片，三相DBC结构的背面直接焊接在散热器上，三相DBC结构中的各芯片之间相互连接，三相DBC结构直流端子处连接有叠层母排。
每个DBC包括陶瓷绝缘基板，所述陶瓷绝缘基板的正面设置有上桥IGBT芯片、上桥二极管芯片、下桥IGBT芯片、下桥二极管芯片、NTC温度传感器和多个表面铜箔；所述上桥IGBT芯片以及上桥二极管芯片通过表面铜箔连接，上桥二极管芯片及上桥IGBT芯片连接与下桥IGBT芯片及下桥二极管芯片，下桥IGBT芯片与下桥二极管芯片通过表面铜箔引出。
进一步地，三相DBC结构中的各芯片之间通过绑定线、铝带或铜带相互连接。
进一步地，所述叠层母排分为三层，包括第一导电层、中间层和第二导电层，第一导电层和第二导电层采用采用叠层结构，第一导电层和第二导电层之间用绝缘材料隔离形成中间层，第一导电层在端子处至少包括第一输出端子和第二输出端子，第二导电层在端子处至少分为4个输出端子，分别用超声焊接到三相DBC直流端子处。
进一步地，所述框架内部不限于采用硅胶进行灌封，例如还如可以采用环氧树脂灌封。
进一步地，所述三相DBC结构包括三块并联的DBC，框架上分别设置有信号端子引出端口和NTC温度传感器引出端口，单块的DBC上的IGBT栅极控制信号端、发射极控制信号端、NTC温度传感器键合到框架。
进一步地，包括陶瓷绝缘基板，所述陶瓷绝缘基板的正面设置有上桥IGBT芯片、上桥二极管芯片、下桥IGBT芯片、下桥二极管芯片、NTC温度传感器和多个表面铜箔；所述上桥IGBT芯片以及上桥二极管芯片通过表面铜箔连接，上桥二极管芯片及上桥IGBT芯片连接与下桥IGBT芯片及下桥二极管芯片，下桥IGBT芯片与下桥二极管芯片通过表面铜箔引出。
进一步地，所述上桥二极管芯片的阳极与上桥IGBT芯片的发射极通过多条键合线连接到下桥IGBT芯片的集电极与下桥二极管芯片的阴极。
再进一步地，所述键合线为铝线、铜线或铜带结构。
进一步地，下桥IGBT芯片的发射极与下桥二极管芯片的阳极通过一条第二表面铜箔引出。
进一步地，陶瓷绝缘基板上的控制回路包括上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔、上桥IGBT芯片的发射极回路铜箔、下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔。
再进一步地，第二表面铜箔和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔在电学上相互连接；其中第二表面铜箔比下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔的宽度更宽，第二表面铜箔电阻低用于通过大电流；下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔为采集第二表面铜箔上电势，为下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔提供相对零电势。下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔通常为铝线。
进一步地，第一表面铜箔通过多条键合线与上桥二极管芯片相连，构成功率信号输出端。在上下桥的栅极控制信号的作用下，功率信号输出端可以实现不同输出状态：如零电压零电流、高电压低电流、低电压高电流。
本申请的优点为：
1、本申请的三相DBC直接焊接到散热器上，这种工艺比传统工艺少了一层基板，极大的降低了热阻，提高了功率密度；同时这种工艺便于自动化实现，提高了生产效率。
2、本申请的直流母排采用叠层结构，同时正负端子分成两组结构，进一步减小了杂散电感，扩大了IGBT工作安全区。
3、本申请的单个DBC的布局方式，实现了多芯片并联，有平衡各芯片之间电流的优势，上桥IGBT集电极与二极管阴极的通过两条平行铜箔，可以减少这部分的寄生电感。
4、本申请单个DBC的上下桥的IGBT与二极管的对称布局，有利于电流均匀分布。单个DBC的栅极控制回路铜箔短，栅极回路铜箔面积较小，因为栅极回路在IGBT芯片的短边，因此能做到面积缩小，从而降低了栅极寄生电感，减小干扰。
附图说明
图1是本申请的结构布局图。
图2是本申请叠层母排的示意图。
图3是本申请叠层母排的输出端子示意图。
图4是本申请的结构布局图。
附图中：1-芯片，2-绑定线，3-框架，4-散热器，6，7，8-三相DBC结构， 5-叠层母排，5-1-第一导电层，5-2第二导电层，5-1-1-第一输出端子，5-1-2-第二输出端子，5-2-1-输出端子。
000-陶瓷绝缘基板，001-上桥IGBT芯片，002-上桥二极管芯片，003-下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔，004-上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔，005-NTC温度传感器，006-第一表面铜箔，007-第二表面铜箔，008-第三表面铜箔，016-下桥IGBT芯片，017-下桥二极管芯片，018-上桥IGBT芯片的发射极回路铜箔，019-下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔。
具体实施方式
实施例1
基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构包括三相DBC结构，所述三相DBC结构的外部固定有框架，三相DBC结构的正面均焊接有多个芯片，三相DBC结构的背面直接焊接在散热器上，三相DBC结构中的各芯片之间相互连接，三相DBC结构直流端子处连接有叠层母排。本申请的三相DBC直接焊接到散热器上，这种工艺比传统工艺少了一层基板，极大的降低了热阻，提高了功率密度；同时这种工艺便于自动化实现，提高了生产效率。单个DBC结构包括陶瓷绝缘基板000，所述陶瓷绝缘基板000的正面设置有上桥IGBT芯片001、上桥二极管芯片002、下桥IGBT芯片016、下桥二极管芯片017、NTC温度传感器005和多个表面铜箔；所述上桥IGBT芯片001以及上桥二极管芯片002通过表面铜箔连接，上桥二极管芯片002及上桥IGBT芯片001连接与下桥IGBT芯片016及下桥二极管芯片017，下桥IGBT芯片016与下桥二极管芯片017通过表面铜箔引出。本申请的布局方式，实现了多芯片并联，有平衡各芯片之间电流的优势，上桥IGBT集电极与二极管阴极的通过两条平行铜箔，可以减少这部分的寄生电感。
实施例2
基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构包括三相DBC结构，所述三相DBC结构的外部固定有框架，所述三相DBC结构的正面均焊接有多个芯片，三相DBC结构的背面直接焊接在散热器上，三相DBC结构中的各芯片之间相互连接，三相DBC结构直流端子处连接有叠层母排。DBC结构包括陶瓷绝缘基板000，所述陶瓷绝缘基板000的正面设置有上桥IGBT芯片001、上桥二极管芯片002、下桥IGBT芯片016、下桥二极管芯片017、NTC温度传感器005和多个表面铜箔；所述上桥IGBT芯片001以及上桥二极管芯片002通过表面铜箔连接，上桥二极管芯片002及上桥IGBT芯片001连接与下桥IGBT芯片016及下桥二极管芯片017，下桥IGBT芯片016与下桥二极管芯片017通过表面铜箔引出。本申请的布局方式，实现了多芯片并联，有平衡各芯片之间电流的优势，上桥IGBT集电极与二极管阴极的通过两条平行铜箔，可以减少这部分的寄生电感。
三相DBC结构中的各芯片之间通过绑定线、铝带或铜带相互连接。
叠层母排分为三层，包括第一导电层、中间层和第二导电层，第一导电层和第二导电层采用采用叠层结构，第一导电层和第二导电层之间用绝缘材料隔离形成中间层，第一导电层在端子处至少包括第一输出端子和第二输出端子，第二导电层在端子处至少分为4个输出端子，分别用超声焊接到三相DBC直流端子处。
框架内部不限于采用硅胶进行灌封，例如还如可以采用环氧树脂灌封。
三相DBC结构包括三块并联的DBC，框架上分别设置有信号端子引出端口和NTC温度传感器引出端口，单块的DBC上的IGBT栅极控制信号端、发射极控制信号端、NTC温度传感器键合到框架。
上桥二极管芯片002的阳极与上桥IGBT芯片001的发射极通过多条键合线连接到下桥IGBT芯片016的集电极与下桥二极管芯片017的阴极。所述键合线为铝线、铜线或铜带结构。
多个表面铜箔包括下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔003、上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔004、第一表面铜箔006、第二表面铜箔007和第三表面铜箔008，陶瓷绝缘基板000正面的两侧分别设置有平行的第三表面铜箔008，所述第三表面铜箔008连接上桥IGBT芯片001的集电极以及上桥二极管芯片002的阴极。
下桥IGBT芯片016的发射极与下桥二极管芯片017的阳极通过一条第二表面铜箔007引出。
陶瓷绝缘基板000上的控制回路包括上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔004、上桥IGBT芯片的发射极回路铜箔018、下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔003和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔019。第二表面铜箔007和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔019在电学上相互连接；其中第二表面铜箔007比下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔019的宽度更宽，第二表面铜箔007电阻低用于通过大电流；下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔019为采集第二表面铜箔007上电势，为下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔003提供相对零电势。下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔019通常为铝线。
进一步地，第一表面铜箔006通过多条键合线与上桥二极管芯片002相连，构成功率信号输出端。在上下桥的栅极控制信号的作用下，功率信号输出端可以实现不同输出状态：如零电压零电流、高电压低电流、低电压高电流。
本申请的基板结构包括正面、中间层和背面构成的三层结构，中间层为陶瓷基板，正面和背面均覆铜， IGBT芯片和二极管芯片通过铅锡焊固定在陶瓷绝缘基板000的正面铜箔上，采用铝线通过超声波焊接，连接上下桥。
陶瓷绝缘基板000起到机械支撑以及电气绝缘的作用；正面为被刻蚀出图形的铜箔，起到固定芯片的作用，并为芯片提供功率通道、信号通道。背面为整块铜箔，起到均衡热量分布的作用。
本申请的三相DBC直接焊接到散热器上，这种工艺比传统工艺少了一层基板，极大的降低了热阻，提高了功率密度；同时这种工艺便于自动化实现，提高了生产效率。本申请的直流母排采用叠层结构，同时正负端子分成两组结构，进一步减小了杂散电感，扩大了IGBT工作安全区。

Claims (10)

1.基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：包括三相DBC结构（6，7，8），所述三相DBC结构的外部固定有框架(3)，所述三相DBC结构（6，7，8）的正面均焊接有多个芯片，三相DBC结构（6，7，8）的背面直接焊接在散热器（4）上，三相DBC结构中的各芯片之间相互连接，三相DBC结构（6，7，8）直流端子处连接有叠层母排（5）；
每个DBC包括陶瓷绝缘基板（000），所述陶瓷绝缘基板（000）的正面设置有上桥IGBT芯片（001）、上桥二极管芯片（002）、下桥IGBT芯片（016）、下桥二极管芯片（017）、NTC温度传感器（005）和多个表面铜箔；所述上桥IGBT芯片（001）以及上桥二极管芯片（002）通过表面铜箔连接，上桥二极管芯片（002）及上桥IGBT芯片（001）连接与下桥IGBT芯片（016）及下桥二极管芯片（017），下桥IGBT芯片（016）与下桥二极管芯片（017）通过表面铜箔引出。
2.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：三相DBC结构中的各芯片之间通过绑定线（2）、铝带或铜带相互连接。
3.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：所述叠层母排（5）分为三层，包括第一导电层、中间层和第二导电层，第一导电层（5-1）和第二导电层（5-2）采用采用叠层结构，第一导电层和第二导电层之间用绝缘材料隔离形成中间层，第一导电层（5-1）在端子处至少包括第一输出端子（5-1-1）和第二输出端子（5-1-2），第二导电层（5-2）在端子处至少分为4个输出端子（5-2-1），分别用超声焊接到三相DBC（6，7，8）直流端子处。
4.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：所述框架（3）内部不限于采用硅胶进行灌封。
5.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：所述三相DBC结构（6，7，8）包括三块并联的DBC，框架上分别设置有信号端子引出端口和NTC温度传感器引出端口，单块的DBC上的IGBT栅极控制信号端、发射极控制信号端、NTC温度传感器键合到框架。
6.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：所述上桥二极管芯片（002）的阳极与上桥IGBT芯片（001）的发射极通过多条铝线键合线连接到下桥IGBT芯片（016）的集电极与下桥二极管芯片（017）的阴极。
7.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：多个表面铜箔包括下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔（003）、上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔（004）、第一表面铜箔（006）、第二表面铜箔（007）和第三表面铜箔（008），陶瓷绝缘基板（000）正面的两侧分别设置有平行的第三表面铜箔（008），所述第三表面铜箔（008）连接上桥IGBT芯片（001）的集电极以及上桥二极管芯片（002）的阴极；下桥IGBT芯片（016）的发射极与下桥二极管芯片（017）的阳极通过一条第二表面铜箔（007）引出。
8.根据权利要求1所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：陶瓷绝缘基板（000）上的控制回路包括上桥IGBT芯片的栅极回路铜箔（004）、上桥IGBT芯片的发射极回路铜箔（018）、下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔（003）和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔（019）。
9.根据权利要求8所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：第二表面铜箔（007）和下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔（019）在电学上相互连接；其中第二表面铜箔（007）比下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔（019）的宽度更宽，第二表面铜箔（007）电阻低用于通过大电流；下桥IGBT芯片的发射极回路铜箔（019）为采集第二表面铜箔（007）上电势，为下桥IGBT芯片的栅极控制回路铜箔（003）提供相对零电势。
10.根据权利要求7所述的基于一种DBC布局的集成IGBT封装结构，其特征在于：第一表面铜箔（006）通过多条键合线与上桥二极管芯片（002）相连，构成功率信号输出端。
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