CN112635416A - 一种单管igbt并联模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单管IGBT并联模块，包括箱体，所述箱体内设置有散热基板，所述散热基板上设置有两个并排的安装区，两个安装区上均设置有至少一个IGBT芯片，每个所述IGBT芯片与散热基板之间均设置有绝缘垫片，使IGBT模块满足不同功率等级要求，所述散热基板的下方设置有双层散热机构，提高对IGBT模块的散热效率。
Description
技术领域
本发明属于IGBT模块领域，更具体的说涉及一种单管IGBT并联模块及其制造方法。
背景技术
IGBT模块，又叫绝缘栅双极型晶体管，目前新能源汽车行业大多采用IGBT模块形式，用于电机控制DC/AC变换，是新能源汽车中实现功率变换的关键器件，应用成熟，现有技术中针对不同电路会使用不同参数和特性的IGBT模块，但现有技术中不同参数和特性的IGBT模块之间结构不同，在安装时需要根据IGBT模块来进行电路布设，且内部为整体封装结构，导致现有的IGBT模块大多被国外知名半导体企业所垄断，其使用成本大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种成本低，通过改变散热基板上IGBT芯片的焊接数量来改变模块的功率，同时重新对箱体上的散热结构进行改进，提高对并联模块的散热效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种单管IGBT并联模块，包括箱体，所述箱体内设置有散热基板，所述散热基板上设置有两个并排的安装区，两个安装区上均设置有至少一个IGBT芯片，每个所述IGBT芯片与散热基板之间均设置有绝缘垫片，所述散热基板的下方设置有双层散热机构。
进一步地，所述绝缘垫片包括两片导热铜片，所述两片导热铜片之间设置有陶瓷基片。
进一步地，所述双层散热机构包括散热水道和风冷通道，所述散热水道位于散热基板与风冷通道之间，风冷通道的进气口与散热水道的出水口相对应。
进一步地，IGBT芯片与绝缘垫片之间、绝缘垫片与散热基板之间均使用真空回流焊焊接，其焊接步骤具体包括：
步骤1：将焊料涂刷在绝缘垫片的焊接位置上，然后将IGBT芯片贴装在绝缘垫片上的焊接位置；
步骤2：将贴装好的IGBT芯片的绝缘垫片放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却；
步骤3：将焊料涂刷在散热基板的焊接位置上，然后将绝缘垫片上未焊接IGBT芯片的一侧贴装在焊料层的上表面；
步骤4：将贴装好绝缘垫片的散热基板放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却所述焊料为无铅锡膏，所述无铅锡膏的中合金组分为Sn96.5Ag3.0Cu0.5。
进一步地，在步骤1与步骤3中焊料的涂刷厚度为0.1-0.15mm。
进一步地，在步骤2与步骤4中进行加热焊接时先对焊接结构预热至150℃-180℃，再进行保温60-90秒,最后升温至237℃-247℃进行焊接。
进一步地，在步骤1与步骤3中使用丝网印刷设备对焊料进行涂刷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.可根据客户需求，改变安装区上IGBT芯片的数量，从而使IGBT模块满足不同功率等级要求，形成整体模块化生产，从而降低IGBT模块的硬件成本；
2.通过冷却气体对散热水道后半部分上的冷却水进行吸热降温，从而使冷却水流过散热水道后半部分其对散热基板的冷却效率不变，保证散热基板上IGBT芯片能够得到有效降温，保证IGBT芯片的正常工作；
3.IGBT芯片与绝缘垫片之间、绝缘垫片与散热基板之间使用真空回流焊接，减低部件结合面之间的孔洞率，使IGBT模块的安装和制作更加可靠。
附图说明
图1为本发明中IGBT芯片并联时的结构示意图；
图2为IGBT并联模块的侧面剖视图；
图3为图2中A部放大图；
图4为图2中B-B的截面示意图；
图5为箱体的结构示意图；
图6为绝缘垫片的机构示意图；
图7为本发明中IGBT芯片、绝缘垫片和散热基板之间的焊接流程图。
附图标记：1.箱体；101.密封槽；102.水道槽；103.导流面；2.散热基板；201.散热针；202.密封凸起；3.IGBT芯片；4.绝缘垫片；401.导热铜片；402.陶瓷基片；5.散热水道；501.进水口；502.出水口；6.风冷通道；601.进气口；602.出气口；603.散热梳；604.散热条；7.密封条。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、102“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1至图7对本发明进一步说明。
一种单管IGBT并联模块，包括箱体1，所述箱体1内设置有散热基板2，所述散热基板2上设置有两个并排的安装区，两个安装区上均设置有至少一个IGBT芯片3，每个所述IGBT芯片3与散热基板2之间均设置有绝缘垫片4，所述散热基板2的下方设置有双层散热机构。
如图1所示，在组装IGBT模块前，可先根据客户需求，改变安装区上IGBT芯片3的数量，从而使IGBT模块满足不同功率等级要求，而生产成本的增加和降低，只取决于散热基板2上IGBT芯片3的数量，从而形成整体模块化生产，从而降低IGBT模块的硬件成本。
通过绝缘垫片4将散热基板2和IGBT芯片3隔离，减少对IGBT芯片3的影响，同时能够将IGBT芯片3上的热量传递给散热基板2，从而对IGBT芯片3进行散热。
优选的，每个所述IGBT芯片3均通过单独的绝缘垫片4连接在散热基板2上，从而减小绝缘垫片4与散热基板2之间因热膨胀系数不同产生的弯曲，降低对对散热效果的影响。
优选的，本实施例中散热基板2上可放置2-12个IGBT芯片3，可满足绝大多数的应用场景的需求。
如图2所示，优选的，所述IGBT芯片3的引脚朝向两个安装区之间的中心线，从而将IGBT芯片3的引脚集中在中心线的两侧，且IGBT芯片3的引脚朝向远离散热基板2的方向延伸，有利于将该IGBT模块连接在电路板上。
如图6所示，本实施例优选的所述绝缘垫片4包括两片导热铜片401，所述两片导热铜片401之间设置有陶瓷基片402，所述陶瓷基片402为氧化铝，使IGBT芯片3与散热基板2之间形成绝缘状态，同时通过导热铜片401能够使热量更快的从IGBT芯片3上传递至陶瓷基片402，在有草次基片通过导热铜片401传递至散热基板2进行散热，提高IGBT芯片3的散热效率，同时氧化铝的热膨胀系数与硅较为接近，能减小所受的热应力，减小在散热基板2上的弯曲形变程度，增加可靠性，且氧化铝制成的陶瓷基片402成本低。
优选导热铜片401厚度为0.3mm，陶瓷基片402厚度为0.38mm。
如图1所示，本实施例优选的所述双层散热机构包括散热水道5和风冷通道6，散热水道5的两端分别连接有进水口501和出水口502，即通过进水口501向散热水道5内通入冷却水，当冷却水经过散热基板2时，可与散热基板2之间进行热量交换，从而带走散热基板2上的热量，即可实现对散热基板2上IGBT芯片3的冷却，防止高温为IGBT芯片3的影响。
优选的，所述散热水道5从进水口501的一端倾斜至出水口502的一端，使得吸收热量后的冷却水能够及时地排出散热水道5进入出水口502，提高冷却效率。
如图2所示，本实施例优选的所述散热基板2上设置有若干散热针201，所述散热针201伸入散热水道5内，当冷却水进入散热水道5时，通过散热针201增加冷却水与散热基板2之间的接触面积，从而提高对散热基板2的冷却效率。
如图3所示，优选的，所述箱体1上设置有密封槽101，所述散热基板2上设置有对应密封槽101的密封凸起202，所述密封凸起202伸入密封槽101内，所述密封槽101内设置有密封条7，所述密封凸起202将密封槽101分隔成两个腔室，且两个腔室内均设置有密封条7，当散热基板2安装在箱体1上时，密封条7与散热基板2紧贴，即可通过两个腔室内的密封条7以及密封凸起202来提高对散热水道5的密封性，防止散热水道5内冷却水的泄漏，影响箱体1内其他电器元件的正常工作
优选的，所述散热基板2为铝合金材料，其厚度优选为5mm，能够有效的将IGBT模块所产生的热量导入到散热水道5中，从而提高整个产品的工作效率。
优选的，所述风冷通道6位于散热通道的下方，所述风冷通道6上分别设有对应进水口501和出水口502的出气口602和进气口601。
如图2所示，当冷却水从进水口501进入散热水道5并从出水口502排出时，冷却气体会同时从进气口601进入风冷通道6，并从出气口602排出，当冷却水吸收散热基板2前半部的热量而温度升高后，会将热量在传递至下方风冷通道6内，并由冷却气体吸收热量后排出，由于风冷通道6的进风口位于出水口502的下方，即刚进入的冷却气体与上方位置相对应的冷却水较大的温差，从而能够快速的将冷却水内的热量带走，使得冷却水进入散热水道5的后半段时，依旧对散热基板2的具有较高的冷却效率，从而降低散热基板2上后半段的IGBT模块温度，保证IGBT模块的正常工作。
优选的，所述风冷气体在风冷通道6内的流速大于冷却水在散热水道5内的流速，提高冷却气体对冷却水的吸热效率。
优选的，所述冷却水可以是常规的自来水，所述冷却气体可以是空气或氮气等惰性气体。
如图2和图4所示，本实施例优选的所述风冷通道6内设置有若干散热梳603，所述散热梳603上设置有若干间隔分布的散热条604，通过散热条604增加散热水道5的底板与风冷气体的接触面积，从而加快冷却气体与冷切水之间的热量交换效率。
如图2所示，优选的，所述散热梳603在靠近进气口601处的数量更多，密度更大，从而加快冷却气体对散热水道5上后半段的冷却水进行热量吸收。
优选的，相邻的两个散热梳603上的散热条604相互交错分布，有利于冷却气体充分与所有散热梳603上的散热条604接触，提高冷却气体的吸热效率。
如图5所示，本实施例优选的所述散热水道5上设置有沿是散热水道5方向延伸的水道槽102，通过水道槽102增加散热水道5内冷却水的流量，从而提高散热水道5的冷却效果。
如图5所示，本实施例优选的所述进水口501和出水口502上均设置有倾斜的导流面103，且进水口501和出水口502的两侧均设置有两个导流面103，散热水道5高于进水口501和出水口502，即导流面103从散热水道5向下朝向进水口501或出水口502倾斜设置，当冷却水通过进水口501进入时，会先沿进水口501两侧的导流面103向散热水道5的两侧升高，当导流面103上的水位达到散热水道5时，即可使冷却水均匀地流过散热水道5，使冷却水能够均匀地吸收散热基板2上的热量，同时通过倾斜的导流面103可降低冷却水的流速，提高冷却效率。
如图7所示，本实施例优选的所述IGBT芯片3与绝缘垫片4之间、绝缘垫片4与散热基板2之间均使用真空回流焊焊接，其焊接步骤具体包括：
步骤1：将焊料涂刷在绝缘垫片4的焊接位置上，然后将IGBT芯片3贴装在绝缘垫片4上的焊接位置；
步骤2：将贴装好的IGBT芯片3的绝缘垫片4放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却；
步骤3：将焊料涂刷在散热基板2的焊接位置上，然后将绝缘垫片4上未焊接IGBT芯片3的一侧贴装在焊料层的上表面；
步骤4：将贴装好绝缘垫片4的散热基板2放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却。
本实施例中优选的所述焊料为无铅锡膏，焊接后孔洞率更小，同没有金属铅，在焊接时对环境危害较小，且所述无铅锡膏的中合金组分为Sn96.5Ag3.0Cu0.5。
本实施例中优选的在步骤1与步骤3中焊料的涂刷厚度为0.1-0.15mm，优选涂刷厚度为0.15mm，在保证焊接强度的情况下减少涂刷厚度。
本实施例中优选的在步骤2与步骤4中进行加热焊接时先对焊接结构预热至150℃-180℃，再进行保温60-90秒,优选预热至160℃，保温时间为60秒，最后升温至237℃-247℃进行焊接，上述无铅锡膏的熔点为217℃，即焊接时将温度控制在高于锡膏熔点20-30℃，有利于降低焊接结合面的孔洞率。
在步骤1与步骤3中使用丝网印刷设备对焊料进行涂刷，通过丝网印刷使锡膏的涂刷更加均匀，从而提高焊接质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种单管IGBT并联模块，包括箱体，其特征在于：所述箱体内设置有散热基板，所述散热基板上设置有两个并排的安装区，两个安装区上均设置有至少一个IGBT芯片，每个所述IGBT芯片与散热基板之间均设置有绝缘垫片，所述散热基板的下方设置有双层散热机构。
2.根据权利要求1所述的单管IGBT并联模块，其特征在于：所述绝缘垫片包括两片导热铜片，所述两片导热铜片之间设置有陶瓷基片。
3.根据权利要求2所述的单管IGBT并联模块，其特征在于：所述双层散热机构包括散热水道和风冷通道，所述散热水道位于散热基板与风冷通道之间，风冷通道的进气口与散热水道的出水口相对应。
4.一种单管IGBT并联模块的制造方法，其特征在于：所述IGBT芯片与绝缘垫片之间、绝缘垫片与散热基板之间均使用真空回流焊焊接，其焊接步骤具体包括：
步骤1：将焊料涂刷在绝缘垫片的焊接位置上，然后将IGBT芯片贴装在绝缘垫片上的焊接位置；
步骤2：将贴装好的IGBT芯片的绝缘垫片放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却；
步骤3：将焊料涂刷在散热基板的焊接位置上，然后将绝缘垫片上未焊接IGBT芯片的一侧贴装在焊料层的上表面；
步骤4：将贴装好绝缘垫片的散热基板放入真空回流焊设备内进行加热焊接，焊接后取出并快速冷却。
5.根据权利要求4所述的单管IGBT并联模块的制造方法，其特征在于：所述焊料为无铅锡膏，所述无铅锡膏的中合金组分为Sn96.5Ag3.0Cu0.5。
6.根据权利要求5所述的单管IGBT并联模块的制造方法，其特征在于：在步骤1与步骤3中焊料的涂刷厚度为0.1-0.15mm。
7.根据权利要求6所述的单管IGBT并联模块的制造方法，其特征在于：在步骤2与步骤4中进行加热焊接时先对焊接结构预热至150℃-180℃，再进行保温60-90秒,最后升温至237℃-247℃进行焊接。
8.根据权利要求7所述的单管IGBT并联模块的制造方法，其特征在于：在步骤1与步骤3中使用丝网印刷设备对焊料进行涂刷。
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