CN116825766A - 一种新型igbt封装结构 - Google Patents
一种新型igbt封装结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116825766A CN116825766A CN202211671901.4A CN202211671901A CN116825766A CN 116825766 A CN116825766 A CN 116825766A CN 202211671901 A CN202211671901 A CN 202211671901A CN 116825766 A CN116825766 A CN 116825766A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- copper
- conductive
- conductive member
- clad
- power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 title claims abstract description 35
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 14
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 4
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 241001424392 Lucia limbaria Species 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011796 hollow space material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
- H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
- H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
- H01L23/528—Geometry or layout of the interconnection structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
- H01L23/538—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
- H01L23/5386—Geometry or layout of the interconnection structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Geometry (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
Abstract
本发明涉及一种新型IGBT封装结构，该IGBT封装结构包括呈平板结构的绝缘板，在所述绝缘板的一侧设置有若干覆铜区域，各覆铜区域之间通过导电件电性连接，设置有第一功率引脚的第一覆铜区域通过第一导电件与设置有第二功率引脚的第二覆铜区域电性连接，第二覆铜区域通过第二导电件与设置有第三功率引脚的第三覆铜区域电性连接，其中，所述第一导电件和所述第二导电件能够设置为铜排。铜排在空间上并行设置，环路面积小，且形成的磁场可互相抵消，电流回路的杂散电感极小，使得器件开关尖峰应力小，有利于高频器件工作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种新型IGBT封装结构。
背景技术
IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管(Bipolar JunctionTransistor,BJT)和绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor,MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)的高输入阻抗和电力晶体管(GiantTransistor,GTR)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
一般，IGBT有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的，它们构成了P-N-P-N排列。IGBT的工作原理是通过不断激活和停用其栅极端子来开启、关闭实现的。如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果IGBT的栅极端的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。
IGBT模块目前在工业控制及电源、新能源发电、新能源车等领域广泛应用，随着行业的发展，对IGBT模块需要高开关频率、高功率密度、高可靠性要求。
CN209328880U公开了一种IGBT封装模块，包括模块本体，所述模块本体包括模块外壳，所述模块外壳一端的上表面露出两个辅助端子，所述模块外壳内设有三根母线，所述三根母线的母线端子从所述模块外壳上方露出，每个所述母线上的模块外壳上盖有外盖，且所述母线端子穿出所述外盖外。
CN107731768A公开了一种IGBT模块封装结构，包括绝缘基板；至少两个IGBT芯片并联支路组，设于所述绝缘基板上；至少两个发射极汇流结构，与所述IGBT芯片并联支路组一一对应地设置于所述绝缘基板上，且多个所述发射极汇流结构之间相互绝缘，每个所述IGBT芯片并联支路组的发射极与其对应的所述发射极汇流结构电气连接；发射极端子母线，设于所述绝缘基板上，与每个所述发射极汇流结构电气连接。
CN111128981A公开了一种IGBT模块封装结构和封装方法，IGBT模块封装结构，其特征在于包括：基板，能够承载IGBT芯片于其上；壳体，罩设于所述基板上且在所述壳体内部形成容纳所述IGBT芯片的空腔，且所述IGBT芯片被设置于所述空腔内；在所述空腔内还填充设置有塑封料，且所述壳体的顶盖的下端面上设置有朝下延伸的至少一个隔板、将所述塑封料进行分隔。
CN112421934A一种IGBT功率模块的封装结构以及采用该封装结构的IGBT功率模块，叠层母排中部设计有接线端，通过小铜排与IGBT功率器件搭接，优化了IGBT功率器件与叠层母排的搭接形式，使得母线电容上电流通过叠层母排能够以较短的路径达到IGBT功率器件。
但现有技术的IGBT模块内部芯片表面采用铝线连接，且芯片在同一个平面相连接，存在一个大电流环路，导致回路中的电感偏大，关断时会带来电压尖峰，影响模块的安全工作区，同时铝线键合方式存在功率循环次数限制，影响模块的可靠性。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
现有技术为了工艺简化且便于自动化生产，通常在一个平面内布置“器件”，使得IGBT模块上的电流环路包围的面积大，由此带来了杂散电感，使得常规IGBT模块无法满足高频器件的工作需求。杂散电感是指由电路中的导体(如：连接导线、元件引线、元件本体等)呈现出来的等效电感。杂散电感会使IGBT模块的集、射极之间产生较高的电压尖峰，造成较大的电磁干扰，甚至导致IGBT模块损坏。示例性地，在大功率变流器中，由于元器件和直流母排存在杂散参数，IGBT模块开通和关断过程中会产生较大的电压和电流尖峰，特别是IGBT模块关断瞬间集射极间的电压尖峰很大，增大了开关损耗，产生较强的电磁干扰，甚至引起电路谐振，其中，大功率变流器中的杂散参数包括母线电容寄生电感、母排杂散电感和电阻、开关器件引线电感和连接螺栓杂散电感等。
因此，针对现有技术之不足，本发明提出了一种新型IGBT封装结构，以解决上述至少部分技术问题。
本发明公开的IGBT封装结构包括呈平板结构的绝缘板，在所述绝缘板的一侧设置有若干覆铜区域，各覆铜区域之间通过导电件电性连接，设置有第一功率引脚的第一覆铜区域通过第一导电件与设置有第二功率引脚的第二覆铜区域电性连接，第二覆铜区域通过第二导电件与设置有第三功率引脚的第三覆铜区域电性连接，其中，所述第一导电件和所述第二导电件能够设置为铜排。
优选地，利用电感计算公式可计算得到本发明的叠层方案对于杂散电感的降低效果至少有50％，优选可达到60％，进一步优选可达到70％。优选地，通过电感计算公式结果的对比，有效地验证了通过在空间构建电流方向相反但并行的叠层铜排可以相互抵消磁场，从而达到降低电流环路的杂散电感的目的，进而使得器件开关尖峰应力小，可满足高频器件应用。
根据一种优选实施方式，所述覆铜区域上设置有由第一功率芯片和第二功率芯片构成的芯片组，其中，在所述第一覆铜区域构成第一芯片组，在所述第二覆铜区域构成第二芯片组。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件的一侧与第一芯片组连接，另一侧与第二覆铜区域连接；所述第二导电件的一侧与第二芯片组连接，另一侧与第三覆铜区域连接，其中，导电件与芯片组的连接能够与相应的第一功率芯片和第二功率芯片分别连接。
优选地，应用上述技术方案，通过在绝缘板上的第一覆铜区域设置第一芯片组，在第二覆铜区域设置第二芯片组，且设置方式均可通过焊片或者焊膏焊接，第一芯片组的各功率芯片与第一导电件之间及第二芯片组的各功率芯片与第二导电件之间均通过焊接连接，提升了器件连接的可靠性，而且配置为铜排的第一导电件和第二导电件相比于以铜线或铝线作为导电件，提升了IGBT模块的载流能力，既增加了第一芯片组和第二芯片组的热容，又提升了第一芯片组和第二芯片组的瞬态性能输出能力，解决了现有技术中IGBT模块内的功率连接可靠性低的问题。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件和所述第二导电件均包括接触部分、过渡部分和主体部分，其中，所述接触部分为导电件上与相应覆铜区域或功率芯片相接触的部分结构，过渡部分的一侧与接触部分连接，另一侧与主体部分连接。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件和所述第二导电件的主体部分均能够以与相应覆铜区域和功率芯片不共面的方式设置，使得主体部分在沿朝向绝缘板的方向投影时能够扫掠形成对应于不同导电件的立体空间。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件和所述第二导电件能够以嵌套的方式设置，以使得其中一个导电件形成的空间能够大致被另一个导电件形成的空间所涵盖。
根据一种优选实施方式，嵌套于所述第二导电件内的所述第一导电件与外侧的所述第二导电件互不接触，且所述第一导电件和所述第二导电件的主体部分之间基于供电电压设置有电气间隙。
优选地，为了提高杂散电感的消除效果，电气间隙能够以尽可能小但不被击穿放电的方式设置。优选地，电气间隙至少可基于供电电压的大小而设置，且随着供电电压的增加而需要具有相对更大的电气间隙。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件和所述第二导电件至少是以提高两者主体部分投影形状重合程度的方式设置的，其中，该投影形状重合程度为所述第一导电件和所述第二导电件各自的主体部分沿朝向绝缘板的方向投影在绝缘板上的图形的交集大小。
优选地，第一导电件与第二导电件之间的投影形状重合程度越大，越有利于杂散电感的抵消。
根据一种优选实施方式，所述第一导电件和/或所述第二导电件能够以非整体的形式设置，以穿过开设于所述第一导电件和/或所述第二导电件上的通孔完成焊接工作。
根据一种优选实施方式，在所述绝缘板的上方配置有高度至少高于所述第二导电件的设置高度的封装壳。
优选地，由于封装壳通常也具有一定的高度，而本发明的叠层铜排对该高度进行了充分利用，使得IGBT模块上呈分散布设的各器件可以设置更加集中，以减小封装结构的整体体积，并提高了IGBT模块的供电密度。
附图说明
图1是现有技术提供的现有IGBT模块的结构示意图；
图2是本发明提供的一种优选实施方式的IGBT模块的结构示意图。
附图标记列表
1：第一覆铜区域；2：第一功率芯片；3：第一导电件；4：第二功率芯片；5：第二导电件；6：第二功率引脚；7：第三功率引脚；8：第一功率引脚；9：第二覆铜区域；10：第三覆铜区域；11：绝缘板；12：电流环路；13：空气入流口。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
本发明提供的一种新型IGBT封装结构可以是对于现有技术的IGBT封装结构的改进优化，以形成新型IGBT模块，其中，现有技术的IGBT封装结构可如图1所示。
进一步地，现有技术的IGBT封装结构包括绝缘板11及设置在绝缘板11上的多个覆铜区域，其中，绝缘板11可采用陶瓷等绝缘材料制成，覆铜区域可包含第一覆铜区域1、第二覆铜区域9和第三覆铜区域10。在第一覆铜区域1、第二覆铜区域9和第三覆铜区域10上可通过超声或锡焊分别连接有第一功率引脚8、第二功率引脚6和第三功率引脚7。第一功率芯片2和第二功率芯片4可通过第一导电件3连接以构成芯片组，其连接方式为超声焊接，其中，第一导电件3为铝线或铜线。两组芯片组可分别通过各自的第二导电件5连接到第二覆铜区域9和第三覆铜区域10，其连接方式为超声焊接，其中，第二导电件5为铝线或铜线。现有技术为了工艺简化且便于自动化生产，通常在一个平面内布置各“器件”，使得IGBT模块上的电流环路12包围的面积大，由此带来了杂散电感，使得常规IGBT模块无法满足高频器件的工作需求。杂散电感是指由电路中的导体(如：连接导线、元件引线、元件本体等)呈现出来的等效电感。杂散电感会使IGBT模块的集、射极之间产生较高的电压尖峰，从而造成较大的电磁干扰，甚至导致IGBT模块损坏。示例性地，在大功率变流器中，由于元器件和直流母排存在杂散参数，IGBT模块开通和关断过程中会产生较大的电压和电流尖峰，特别是IGBT模块关断瞬间集射极间的电压尖峰很大，增大了开关损耗，产生较强的电磁干扰，甚至引起电路谐振，其中，大功率变流器中的杂散参数包括母线电容寄生电感、母排杂散电感和电阻、开关器件引线电感和连接螺栓杂散电感等。
基于此，本发明提供如图2所示的新型IGBT封装结构可包括大致呈平板结构的绝缘板11及设置在绝缘板11上的多个覆铜区域，其中，绝缘板11可采用陶瓷等绝缘材料制成，覆铜区域可包含第一覆铜区域1、第二覆铜区域9和第三覆铜区域10。优选地，第一覆铜区域1、第二覆铜区域9和第三覆铜区域10能够以非对称的方式设置。
优选地，在第一覆铜区域1、第二覆铜区域9和第三覆铜区域10上可通过超声或锡焊分别连接有第一功率引脚8、第二功率引脚6和第三功率引脚7。进一步优选地，第一功率引脚8和第三功率引脚7可临近设置，第二功率引脚6可相对于第一功率引脚8和第三功率引脚7远离设置。
优选地，第一功率芯片2和第二功率芯片4可构成芯片组并设置在对应的覆铜区域上，其中，第一覆铜区域1上可设置有第一芯片组，第二覆铜区域9上可设置有第二芯片组，其设置方式可以是通过焊片或者焊膏焊接。
进一步地，设置在第一覆铜区域1上的第一芯片组通过第一导电件3连接，第一导电件3的相对另一端连接于第二覆铜区域9，设置在第二覆铜区域9上的第二芯片组通过第二导电件5连接，第二导电件5的相对另一端连接于第三覆铜区域10，其中，第一导电件3和第二导电件5均为铜排。优选地，第一芯片组的第一功率芯片2和第二功率芯片4可通过焊接工艺的焊接层与第一导电件3连接，第二芯片组的第一功率芯片2和第二功率芯片4可通过焊接工艺的焊接层与第二导电件5连接。
应用上述技术方案，通过在绝缘板11上的第一覆铜区域1设置第一芯片组，在第二覆铜区域9设置第二芯片组，且设置方式均可通过焊片或者焊膏焊接，第一芯片组的各功率芯片与第一导电件3之间及第二芯片组的各功率芯片与第二导电件5之间均通过焊接连接，提升了器件连接的可靠性，而且配置为铜排的第一导电件3和第二导电件5相比于以铜线或铝线作为导电件，提升了IGBT模块的载流能力，既增加了第一芯片组和第二芯片组的热容，又提升了第一芯片组和第二芯片组的瞬态性能输出能力，解决了现有技术中IGBT模块内的功率连接可靠性低的问题。
优选地，导电件可至少包括接触部分、过渡部分和主体部分，其中，接触部分是指导电件上与覆铜区域或功率芯片相接触的部分结构，过渡部分的一侧与接触部分连接，另一侧与主体部分连接。优选地，导电件通常可具有多个接触部分以分别连接于对应的覆铜区域及第一功率芯片2和第二功率芯片4，其中，接触部分与覆铜区域及功率芯片的连接为焊接，且通常可焊接在其上表面，该上表面是指远离绝缘板11一侧的表面，即接触部分通常可视为与相接触的覆铜区域或功率芯片的上表面共面设置。优选地，主体部分能够以与覆铜区域和功率芯片均不共面的方式设置，以使得两侧分别连接于主体部分及接触部分的过渡部分以倾斜一定角度的方式设置，从而在主体部分下方形成空间，该主体部分的下方是指主体部分沿朝向绝缘板11的方向投影时所扫掠形成的立体空间，该空间的体积受限于主体部分的面积及扫掠高度，即受限于接触部分的设置位置及过渡部分的设置方式，过渡部分的设置方式包含设置高度及设置倾角。优选地，过渡部分的设置倾角可以为直角，主体部分可以与覆铜区域的上表面并行设置。优选地，第一导电件3与第二导电件5可形成体积不同的空间，以便于第一导电件3和第二导电件5能够以嵌套的方式设置，该嵌套的方式是指其中一个导电件形成的空间可大致被另一个导电件形成的空间所涵盖，以形成空间重叠，在节省封装空间的同时，还可以有利于杂散电感的消除。进一步地，基于各覆铜区域及各功率芯片的设置位置，可优选将第一导电件3以嵌套于第二导电件5内的方式设置。
优选地，嵌套于第二导电件5内的第一导电件3与外侧的第二导电件5互不接触，并且两者的主体部分之间设置有相应的电气间隙，其中，为了提高杂散电感的消除效果，电气间隙能够以尽可能小但不被击穿放电的方式设置。优选地，电气间隙至少可基于供电电压的大小而设置，且随着供电电压的增加而需要具有相对更大的电气间隙。示例性地，对于650V的供电电压，需设置约1.5mm的电气间隙；对于3300V的供电电压，需设置约3mm的电气间隙。优选地，具有电气间隙的第一导电件3和第二导电件5在空间上形成的电流环路12的线路宽度受限于第一导电件3与第二导电件5之间的投影形状重合程度，其中，该投影形状重合程度是指第一导电件3和第二导电件5各自的主体部分沿朝向绝缘板11的方向投影在绝缘板11上的图形的交集大小。进一步地，第一导电件3与第二导电件5之间的投影形状重合程度越大，越有利于杂散电感的抵消。
优选地，第一导电件3的接触部分可分别与设置于第一覆铜区域1上的第一功率芯片2、第二功率芯片4及第二覆铜区域9连接，以通过其过渡部分和主体部分实现电性连接。优选地，第二导电件5的接触部分可分别与设置于第二覆铜区域9上的第一功率芯片2、第二功率芯片4及第三覆铜区域10连接，以通过其过渡部分和主体部分实现电性连接。进一步地，设置于第一覆铜区域1上的第一功率芯片2、第二功率芯片4所构成的第一芯片组与设置于第二覆铜区域9上的第一功率芯片2、第二功率芯片4所构成的第二芯片组通过第一导电件3以一定的电路拓扑实现电性连接，其中，由于功率芯片下表面通过焊片或者焊膏焊接在覆铜区上，功率芯片上表面与导电件焊接，使得形成的电性连接关系更加稳定且可靠，进一步地增强了第一功率芯片2、第二功率芯片4的热容及瞬态电流输出能力，进而增强了IGBT模块的载流能力，解决了现有技术中功率端子以绑定带的形式与芯片连接存在的绑定难度大的问题，从而避免了绑定带变形导致芯片损坏的问题。
优选地，第一导电件3和/或第二导电件5能够以非整体的形式设置，例如第一导电件3和/或第二导电件5可在主体部分开设有通孔，以便于穿过通孔对第一导电件3/第二导电件5下方的部件进行焊接。进一步地，相比于利用铝线键合机或铜线键合机将芯片组在各覆铜区域所在平面上形成电流环路12，采用铜排焊接的方式使得连接更加稳固且方便。
优选地，第一导电件3与第二导电件5可分别相对于IGBT模块所在的电路板形成体积不同的空间，应当理解为第一导电件3与其下方的IGBT模块具有更小的半封闭空间，因此在大电流负载时会在体积内产生瞬时高温区，这些高温会引发气流上升，而从两侧流入低温空气形成对流就是此类设计的另一个重要考虑。
因此，在图2中在第二导电件5的过渡部分下方，在两块高热量芯片之间的覆铜区域上方留有空气入流口13，从覆铜区域流过的空气部分热量会被覆铜区域以及铜质的第二导电件5带走，其温度略低于第一导电件3之下且其包围芯片近旁之温度，从而形成温度梯度，进而产生烟囱效应。该烟囱效应受到来自于更高散热能力的第二导电件5的支持，且从四个方向不同尺寸开口的所引入空气温度之差异，在内部可形成朝向一个方向旋转的气旋，进一步避免了局部热点的出现，避免出现烧毁。优选地，铜排以叠层的方式设置可以形成镂空的空间架构，以增加导电件与外部环境之间的接触面积，从而使得IGBT模块上的各器件在流经电流时产生的热量可被更快地散发出去，提高了散热效果。
优选地，第一导电件3和/或第二导电件5在主体部分开设的所述通孔还可有助于这种气旋产生。所述气旋是通过第一导电件3和第二导电件5之嵌套来达成的，特别是在其下方发热量大的芯片位于单向一侧，而发热量小的无芯片或少芯片区域位于与发热侧相对的另一侧，在两侧之间例如通过第一导电件3或第二导电件5的向电路板延伸的翅片来形成空气格挡，从而可以在有利于杂散电感的消除同时，产生更佳的气流通道。
优选地，IGBT模块基于上述电性连接所形成的电流环路12可至少由第一覆铜区域1流经第二覆铜区域9以到达第三覆铜区域10，其中，电流可通过第一导电件3由第一覆铜区域1到达第二覆铜区域9，并通过第二导电件5由第二覆铜区域9到达第三覆铜区域10。进一步地，基于第一导电件3与第二导电件5的嵌套式设置方式，使得第一导电件3与第二导电件5可在空间上形成并行关系，其中，该并行关系可以具体为各自的主体部分相互并行，各自的过渡部分相互并行。基于上述第一导电件3与第二导电件5的空间架构，使得由第一覆铜区域1流向第二覆铜区域9的电流方向大致相反于由第二覆铜区域9流向第三覆铜区域10的电流方向，且上述两个电流方向在空间上不共面，从而使得相反流向的两股电流在中间区域形成的磁场可相互抵消，降低电流环路12的杂散电感，使得器件开关尖峰应力小，可满足高频器件应用，其中，该中间区域可以是第一导电件3与第二导电件5各自的主体部分沿相互对向的方向扫掠形成的共有空间交集。
优选地，本发明的叠层方案对于杂散电感的降低效果至少有50％，优选可达到60％，进一步优选可达到70％。
优选地，在现有技术的不叠层方案中，其电感计算公式如下：
L＝u0×ld×(ln(2ld/r)-0.75)/(2π)
其中，ld为电流环路12长度，r为等效截面半径，uo为母排材料磁导率。
进一步地，电流环路12长度通常为由第一功率引脚8经覆铜区域上各芯片后流向第三功率引脚7的总长度；等效截面半径通常为等效成圆导线的半径，例如引脚厚度；母排材料通常为铜，其磁导率为4*π*10-7H/m。
优选地，在本发明的叠层方案中，其电感计算公式如下：
其中，为磁链，I为回路电流，b为铜排宽度，a为铜排间距，r为等效截面半径，uo为母排材料磁导率。
进一步地，铜排宽度是指导电件为铜排时其主体部分沿电流方向的侧边的长度；铜排间距为第一导电件3与第二导电件5之间的间距，也即中间区域的高，该中间区域可以是第一导电件3与第二导电件5各自的主体部分沿相互对向的方向扫掠形成的共有空间交集；等效截面半径通常为等效成圆导线的半径；母排材料通常为铜，其磁导率为4*π*10-7H/m。
示例性地，对于附图中的不叠层方案，其ld＝0.1m，r＝0.01m，可计算得到其电感L＝44.91nH；对于附图中的叠层方案，其b＝0.15，a＝0.01，r＝0.01，可计算得到其电感L＝13.71nH，由此可以计算得到相比于现有技术的不叠层方案，本发明的叠层方案的电感降低了69.5％，有效地验证了通过在空间构建电流方向相反但并行的叠层铜排可以相互抵消磁场，从而达到降低电流环路12的杂散电感的目的，进而使得器件开关尖峰应力小，可满足高频器件应用。
此处特别强调的是，与若干IGBT之间的杂散电感消除措施相比，在各IGBT内部的杂散电感是对性能更重要的影响因素。若干IGBT之间的电路拓扑是早已有之的结构设计方案，但其无法直接缩小尺寸用于改进内部设计，而是需要经过大量分析并辅以经验公式演算，才有可能找到大电流与散热兼顾的杂散电感抑制方案。也就是说，本发明的电感计算公式并非是本领域的常见公式，而是经过大量的矛盾参数调和产物，是艺术与技术的结合。
优选地，在绝缘板11的上方至少还配置有封装壳，以形成对IGBT模块的保护，其中，封装壳的高度至少高于第二导电件5的设置高度，以涵盖IGBT模块上的所有器件。进一步地，由于封装壳通常也具有一定的高度，而本发明的叠层铜排对该高度进行了充分利用，使得IGBT模块上呈分散布设的各器件可以设置更加集中，以减小封装结构的整体体积，并提高了IGBT模块的供电密度。
上述实施例中的IGBT封装结构还可以应用于高频IGBT技术领域，即根据本申请的另一个具体实施例，本申请还可提供了一种车辆电能转换装置，该车辆电能转换装置包含上述实施例中的IGBT封装结构。采用上述实施例中的IGBT封装结构，实现了IGBT模块的超低杂散电感，并且增强了IGBT模块的工作安全性，在降低工作冗余的同时，实现了IGBT模块的高性能输出。
优选地，本申请的IGBT模块在实际应用中，第一功率芯片2与第二功率芯片4可根据实际需要按半桥电路拓扑或按全桥电路拓扑。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一种优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
Claims (10)
1.一种新型IGBT封装结构，其特征在于，所述IGBT封装结构包括呈平板结构的绝缘板(11)，在所述绝缘板(11)的一侧设置有若干覆铜区域，各覆铜区域之间通过导电件电性连接，
设置有第一功率引脚(8)的第一覆铜区域(1)通过第一导电件(3)与设置有第二功率引脚(6)的第二覆铜区域(9)电性连接，第二覆铜区域(9)通过第二导电件(5)与设置有第三功率引脚(9)的第三覆铜区域(10)电性连接，
其中，所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)能够设置为铜排。
2.根据权利要求1所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述覆铜区域上设置有由第一功率芯片(2)和第二功率芯片(4)构成的芯片组，其中，在所述第一覆铜区域(1)构成第一芯片组，在所述第二覆铜区域(9)构成第二芯片组。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)的一侧与第一芯片组连接，另一侧与第二覆铜区域(9)连接；所述第二导电件(5)的一侧与第二芯片组连接，另一侧与第三覆铜区域(10)连接，其中，导电件与芯片组的连接能够与相应的第一功率芯片(2)和第二功率芯片(4)分别连接。
4.根据权利要求1～3任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)均包括接触部分、过渡部分和主体部分，其中，所述接触部分为导电件上与相应覆铜区域或功率芯片相接触的部分结构，过渡部分的一侧与接触部分连接，另一侧与主体部分连接。
5.根据权利要求1～4任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)的主体部分均能够以与相应覆铜区域和功率芯片不共面的方式设置，使得主体部分在沿朝向绝缘板的方向投影时能够扫掠形成对应于不同导电件的立体空间。
6.根据权利要求1～5任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)能够以嵌套的方式设置，以使得其中一个导电件形成的空间能够被另一个导电件形成的空间所涵盖。
7.根据权利要求1～6任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，嵌套于所述第二导电件(5)内的所述第一导电件(3)与外侧的所述第二导电件(5)互不接触，且所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)的主体部分之间基于供电电压设置有电气间隙。
8.根据权利要求1～7任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)至少是以提高两者主体部分投影形状重合程度的方式设置的，其中，该投影形状重合程度为所述第一导电件(3)和所述第二导电件(5)各自的主体部分沿朝向绝缘板的方向投影在绝缘板上的图形的交集大小。
9.根据权利要求1～8任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，所述第一导电件(3)和/或所述第二导电件(5)能够以非整体的形式设置，以穿过开设于所述第一导电件(3)和/或所述第二导电件(5)上的通孔完成焊接工作。
10.根据权利要求1～9任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于，在所述绝缘板(11)的上方配置有高度至少高于所述第二导电件(5)的设置高度的封装壳。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211671901.4A CN116825766A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种新型igbt封装结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211671901.4A CN116825766A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种新型igbt封装结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116825766A true CN116825766A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88119008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211671901.4A Pending CN116825766A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种新型igbt封装结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116825766A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117038585A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 烟台台芯电子科技有限公司 | 一种覆铜陶瓷基板结构 |
-
2022
- 2022-12-23 CN CN202211671901.4A patent/CN116825766A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117038585A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 烟台台芯电子科技有限公司 | 一种覆铜陶瓷基板结构 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10622909B2 (en) | Power module for inverter switching devices having gate coils shielded from eddy currents | |
| EP3107120B1 (en) | Power semiconductor module | |
| US10141254B1 (en) | Direct bonded copper power module with elevated common source inductance | |
| US11538794B2 (en) | Power converter with an upper arm and a lower arm and at least first and second semiconductor devices connected by a bridging member | |
| US10720383B2 (en) | Semiconductor device configuring upper and lower arms including auxiliary terminals | |
| WO2016084241A1 (ja) | ハーフブリッジパワー半導体モジュール及びその製造方法 | |
| JP6603676B2 (ja) | ハーフブリッジパワー半導体モジュール及びその製造方法 | |
| US10535577B2 (en) | Semiconductor device | |
| WO2023065602A1 (zh) | 功率模块及电机控制器 | |
| US20210407875A1 (en) | Semiconductor device | |
| CN110911357A (zh) | 智能功率模块及空调器 | |
| CN106252312A (zh) | 具有堆叠端子的半导体器件 | |
| CN116825766A (zh) | 一种新型igbt封装结构 | |
| US10361147B1 (en) | Inverter power module lead frame with enhanced common source inductance | |
| CN112701111B (zh) | 一种三电平电路碳化硅功率模块 | |
| US10530354B2 (en) | Insulated gate semiconductor device and method for manufacturing insulated gate semiconductor device | |
| CN210516724U (zh) | 一种功率半导体模块和功率半导体器件 | |
| CN220233181U (zh) | 一种功率模块 | |
| US11887905B2 (en) | Semiconductor device | |
| CN219419024U (zh) | 智能功率模块和具有其的设备 | |
| CN216389358U (zh) | 功率模块及电机控制器 | |
| CN219740193U (zh) | 功率器件组件和变频器 | |
| CN219497779U (zh) | 半导体功率模块、电机控制器和车辆 | |
| JP7428679B2 (ja) | パワー半導体装置および電力変換装置 | |
| CN219696441U (zh) | 大电流低电感功率半导体模块 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |