CN117316880A - 一种igbt模块及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种IGBT模块及其制作工艺；通过采用DBC设计、零件设计、线路布局和功率端子直接引出的方式，无需通过PCB引线，直接简化模块结构和生产工艺的同时提升了产品的可靠性和生产工序，本专利通过芯片并联均流仿真设计，降低模块每个并联支路流通量差异，避免了由于受每个并联支路流通量差异大影响而产生芯片损坏现象；在栅极并联的电阻，不但可以通过额外的键合线把并联的IGBT和二极管连接起来，这样可使得并联IGBT的开关行为更对称，可以防止高频率振荡。

Description

一种IGBT模块及其制作工艺
技术领域
本发明涉及一种IGBT模块及其制作工艺。
背景技术
MN型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块是一单元的高功率密度开关模块，目前的MN型IGBT模块使用了PCB线路板引出电极，并使用环氧树脂密封。导致PCB线路板与电极的连接使用了二次连接，降低了模块的稳定性；并且由于大电流模块对其过电流能力有很更高要求，通过PCB线路板无法实现；现在实现大电流模块的方式是通过功率电极与线路板交错穿插，这种方式容易形成内部电感，并且由于线路板与芯片上的线路走线连接复杂，造成模块所需的零部件较多，同时生产工序也相应增多，提高了模块的生产成本及生产周期。如公开号为CN115911012A公开的一种IGBT模块，通过底板和陶瓷覆铜板作为IGBT芯片组、功能模组、端子组的承载部件，提高了模块的额定电流，但其将多个IGBT芯片连接在一起会出现每个IGBT芯片电流不同的问题，会使IGBT芯片的栅极开关过程中造成模块电压震荡。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种IGBT模块及其制作工艺。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种IGBT模块及其制作工艺；包括金属底板，所述金属底板中部呈矩阵设置有4块芯片陶瓷覆铜板，每块芯片陶瓷覆铜板上分别设有两个IGBT芯片，每个IGBT芯片的栅极并联，每个IGBT芯片的发射极和集电极分别与一个FRD芯片的两极并联，两个芯片陶瓷覆铜板上分别设有一个发射极功率端子，另两个芯片陶瓷覆铜板上分别设有一个集电极功率端子，任意一个设有发射极功率端子的芯片陶瓷覆铜板和任意一个设有集电极功率端子的芯片陶瓷覆铜板上的IGBT芯片的发射极和集电极并联，且并联线路分别与发射极功率端子和集电极功率端子连接。
所述栅极电阻的边缘通过端子陶瓷覆铜板固定有分相邻的集电极信号端子、发射极信号端子、栅极信号端子，集电极信号端子与IGBT芯片的集电极并联线路连接，发射极信号端子与IGBT芯片的发射极并联线路连接，栅极信号端子与IGBT芯片的栅极并联线路连接。
任意一个设有发射极功率端子的芯片陶瓷覆铜板和任意一个设有集电极功率端子的芯片陶瓷覆铜板在金属底板的同一竖向或横向上。
所述芯片陶瓷覆铜板的边缘还设有栅极电阻，栅极电阻与该片芯片陶瓷覆铜板上的两个IGBT芯片并联后的线路串联。
两个发射极功率端子之间根据模块的额定电流连接或断开，两个集电极功率端子之间始终连接。
一种IGBT模块的制作工艺，其工艺步骤为：
a、将锡膏按一定图形印刷于芯片陶瓷覆铜板和端子陶瓷覆铜板表面；
b、将IGBT芯片、FRD芯片、发射极功率端子、集电极功率端子贴在芯片陶瓷覆铜板上，将集电极信号端子、发射极信号端子、栅极信号端子贴在端子陶瓷覆铜板上；
c、将金属底板进行回流烧焊；
d、对金属底板进行烧结清洗
e、使用引线将IGBT芯片、FRD芯片、栅极电阻按序键合；
f、印刷底板线路。
g、使用引线将IGBT芯片、FRD芯片与集电极信号端子、发射极信号端子、栅极信号端子、发射极功率端子、集电极功率端子按序键合；
h、框胶粘接；
i、螺钉紧固；
j、壳体灌胶与固化。
所述回流烧焊的步骤为：
c1、金属底板、芯片烧焊在陶瓷覆铜板上，温度从360℃阶梯升到420℃，持续30分钟到50分钟；
c2、陶瓷覆铜板烧焊在底板上，温度从180℃阶梯升到250℃，时间为30-50分钟。
所述烧结清洗为超声波清洗，浸泡液为正溴丙烷。
所述键合为超声波键合，振幅为50％～100％，焊接时间为0.2s～1s，下压深度为20mm～100mm。
所述引线为380微米直径的铝丝。
本发明的有益效果在于：通过采用DBC设计、零件设计、线路布局和功率端子直接引出的方式，无需通过PCB引线，直接简化模块结构和生产工艺的同时提升了产品的可靠性和生产工序，本专利通过芯片并联均流仿真设计，降低模块每个并联支路流通量差异，避免了由于受每个并联支路流通量差异大影响而产生芯片损坏现象；在栅极并联的电阻，不但可以通过额外的键合线把并联的IGBT和二极管连接起来，这样可使得并联IGBT的开关行为更对称，可以防止高频率振荡。
附图说明
图1是本发明的模块结构示意图；
图2是本发明的功率端子结构示意图；
图3是本发明的电路原理路示意图；
图4是本发明的均流仿真电路示意图；
图5是本发明的IGBT芯片和FRD芯片烧焊温度曲线；
图6是本发明的陶瓷覆铜板和金属底板的烧焊温度曲线；
图7是模块未连接栅极电阻的波形图；
图8是模块连接3Ω栅极电阻后的波形图；
图9是模块连接9Ω栅极电阻后的波形图；
图中：1-金属底板，2-栅极电阻，3-芯片陶瓷覆铜板，4-IGBT芯片，5-FRD芯片，6-端子陶瓷覆铜板，7-集电极信号端子，8-发射极信号端子，9-栅极信号端子，10-发射极功率端子，11-集电极功率端子。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示，一种IGBT模块及其制作工艺；包括金属底板1，所述金属底板1中部呈矩阵设置有4块芯片陶瓷覆铜板3，每块芯片陶瓷覆铜板3上分别设有两个IGBT芯片4，IGBT芯片的正面上方中心的小方块为栅极(G)，其余正面为发射极(E)，背面整体为集电极(C)；同一芯片陶瓷覆铜板3上的两个IGBT芯片4的集电极通过芯片陶瓷覆铜板3上的印刷线路连接，如图1所示，左侧虚线内和右侧虚线外的四个IGBT芯片的集电极通过引线并联并分别接入集电极功率端子11；而左右两侧的集电极功率端子11之间根据模块的额定电流决定是否并联，当集电极功率端子11之间不连接时，左侧虚线内的部分单独使用，额定电流为整个模块的一半。
其原理如图2所示，模块拥有的八个相同的IGBT芯片，且每颗IGBT芯片上在E极到C极都并联了一个FRD芯片(快恢复二极管)。工作原理是：G端为IGBT的栅极，栅极为IGBT的控制端，通过G端加电压，使得对应的IGBT芯片开启，正常运行。通过对应的栅极控制，八个IGBT同时开启，C为输入端口，电流从端口E输出。同时，该设计也可实现虚线左边部分的单独使用，额定电流为整个模块的一半，具体原理是不连接右边C电极，其他正常连接，通过G端加电压，使得对应的左侧IGBT芯片开启，正常运行。通过对应的栅极控制，左边四个IGBT同时开启，C为输入端口，电流从端口E输出。
如图1所示，每个IGBT芯片4的下方均贴一个FRD芯片，方便IGBT芯片和FRD芯片之间并联；而八个IGBT芯片的栅极通过引线并联，图1中，金属底板1上部的两个芯片陶瓷覆铜板3上分别设有一个集电极功率端子11，下部的两个芯片陶瓷覆铜板3上分别设有一个发射极功率端子10，集电极功率端子11和发射极功率端子10分别组作为与外部设备连接的端口，而集电极功率端子11和发射极功率端子10在使用过程中可以根据需求的电流而选择两个集电极功率端子11是否并联，并联的额定电流是非并联额定电流的2倍。
在栅极电阻2的边缘通过端子陶瓷覆铜板6固定有分相邻的集电极信号端子7、发射极信号端子8、栅极信号端子9，集电极信号端子7与IGBT芯片4的集电极并联线路连接，发射极信号端子8与IGBT芯片4的发射极并联线路连接，栅极信号端子9与IGBT芯片4的栅极并联线路连接。
任意一个设有发射极功率端子10的芯片陶瓷覆铜板3和任意一个设有集电极功率端子11的芯片陶瓷覆铜板3在金属底板1的同一竖向或横向上。
为了保证模块内部IGBT芯片并联后均流的问题，芯片陶瓷覆铜板3的边缘还设有栅极电阻2，栅极电阻2与该片芯片陶瓷覆铜板3上的两个IGBT芯片4并联后的线路串联。通过栅极电阻2消除栅极开关时的电压震荡，使电流平均分配到各个支路中。经过对不同栅极电阻的仿真测试，可以针对该模块线路及芯片设计找到合适的栅极电阻，实现模块内部的均流问题。如图3所示，是该模块的均流仿真电路图，同时对四个并联支路电路给电流脉冲，分别得到其四个并联支路的电流通量，由于引线连接及芯片本身的差异，分别用0Ω/3Ω/9Ω栅极电阻仿真,结果如图7～9所示。将栅极电阻设置在每块芯片陶瓷覆铜板的边缘，且在安装时分别远离且上下对称，目的是芯片的上表面(发射极)通过额外的键合线把并联的IGBT和二极管连接起来，这样可使得并联IGBT的开关行为更对称，而且可以防止高频率振荡。
两个发射极功率端子10之间根据模块的额定电流连接或断开，两个集电极功率端子11之间始终连接。
一种IGBT模块的制作工艺，其工艺步骤为：
丝网印刷，将锡膏按设定图形印刷于陶瓷覆铜板板(地板)表面，为贴片做好前期准备，所述丝网为铁丝网
贴片，将八组IGBT和FRD芯片贴在指定的陶瓷覆铜板板上对应的位置，芯片无贴重，贴斜(≤5°)、漏贴、贴出印刷位置等不良现象。芯片完整，无沾污、缺损、开裂等不良现象。贴片完成的芯片表面不得有多余物或沾污。
回流焊接，分为二次烧焊，第一次将陶瓷覆铜板和IGBT/FRD芯片烧结在一起，第二次将陶瓷覆铜板板和金属底板烧结在一起，二次烧结可以有效减少焊膏在高温下溅射从而污染模块的几率。
陶瓷覆铜板和IGBT/FRD芯片烧结采用锡膏(高温)，温度曲线如图5；
陶瓷覆铜板板和金属底板烧结采用锡膏(低温)，温度曲线如图6；
烧结清洗，采用助焊剂清洗液(正溴丙烷)超声清洗10min(表面泛黄或锡珠溅射严重时可适当加时)。
引线键合，为超声波键合，以超声波将金属线与陶瓷覆铜板板连接起来
打线参数如下：
端子键合，为超声波键合，以超声波将端子与陶瓷覆铜板板连接起来
端子键合参数如下：
名称 参数
振幅 50％～100％
焊接时间 0.2s～1s
下压深度 20mm～100mm
壳体塑封，对壳体进行点胶并加装底板，起到粘合底板的作用，所用点胶为密封胶。
铆钉压入，铆钉压入模块四角，防止体内灌胶时胶体流出。
壳体灌胶与固化，所述的胶为AB类硅凝胶的混合，其比例在1:4-4:1都可以，不同比例的凝固速度不同，灌胶是防止其电压击穿空气发生打火现象损坏芯片。

Claims (10)

1.一种IGBT模块，其特征在于：包括金属底板(1)，所述金属底板(1)中部呈矩阵设置有4块芯片陶瓷覆铜板(3)，每块芯片陶瓷覆铜板(3)上分别设有两个IGBT芯片(4)，每个IGBT芯片(4)的栅极并联，每个IGBT芯片(4)的发射极和集电极分别与一个FRD芯片(5)的两极并联，两个芯片陶瓷覆铜板(3)上分别设有一个发射极功率端子(10)，另两个芯片陶瓷覆铜板(3)上分别设有一个集电极功率端子(11)，任意一个设有发射极功率端子(10)的芯片陶瓷覆铜板(3)和任意一个设有集电极功率端子(11)的芯片陶瓷覆铜板(3)上的IGBT芯片(4)的发射极和集电极并联，且并联线路分别与发射极功率端子(10)和集电极功率端子(11)连接。
2.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述栅极电阻(2)的边缘通过端子陶瓷覆铜板(6)固定有分相邻的集电极信号端子(7)、发射极信号端子(8)、栅极信号端子(9)，集电极信号端子(7)与IGBT芯片(4)的集电极并联线路连接，发射极信号端子(8)与IGBT芯片(4)的发射极并联线路连接，栅极信号端子(9)与IGBT芯片(4)的栅极并联线路连接。
3.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：任意一个设有发射极功率端子(10)的芯片陶瓷覆铜板(3)和任意一个设有集电极功率端子(11)的芯片陶瓷覆铜板(3)在金属底板(1)的同一竖向或横向上。
4.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述芯片陶瓷覆铜板(3)的边缘还设有栅极电阻(2)，栅极电阻(2)与该片芯片陶瓷覆铜板(3)上的两个IGBT芯片(4)并联后的线路串联。
5.如权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：两个发射极功率端子(10)之间根据模块的额定电流连接或断开，两个集电极功率端子(11)之间始终连接。
6.一种IGBT模块的制作工艺，其工艺步骤为：
a、将锡膏按一定图形印刷于芯片陶瓷覆铜板(3)和端子陶瓷覆铜板(6)表面；
b、将IGBT芯片(4)、FRD芯片(5)、发射极功率端子(10)、集电极功率端子(11)贴在芯片陶瓷覆铜板(3)上，将集电极信号端子(7)、发射极信号端子(8)、栅极信号端子(9)贴在端子陶瓷覆铜板(6)上；
c、将金属底板(1)进行回流烧焊；
d、对金属底板(1)进行烧结清洗
e、使用引线将IGBT芯片(4)、FRD芯片(5)、栅极电阻(2)按序键合；
f、印刷底板线路。
g、使用引线将IGBT芯片(4)、FRD芯片(5)与集电极信号端子(7)、发射极信号端子(8)、栅极信号端子(9)、发射极功率端子(10)、集电极功率端子(11)按序键合；
h、框胶粘接；
i、螺钉紧固；
j、壳体灌胶与固化。
7.如权利要求6所述的IIGBT模块的制作工艺，其特征在于：所述回流烧焊的步骤为：
c1、金属底板(1)、芯片烧焊在陶瓷覆铜板上，温度从360℃阶梯升到420℃，持续30分钟到50分钟；
c2、陶瓷覆铜板烧焊在底板上，温度从180℃阶梯升到250℃，时间为30-50分钟。
8.如权利要求6所述的IGBT模块的制作工艺，其特征在于：所述烧结清洗为超声波清洗，浸泡液为正溴丙烷。
9.如权利要求6所述的IGBT模块的制作工艺，其特征在于：所述键合为超声波键合，振幅为50％～100％，焊接时间为0.2s～1s，下压深度为20mm～100mm。
10.如权利要求6所述的IGBT模块的制作工艺，其特征在于：所述引线为380微米直径的铝丝。
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