CN117936469A - 一种双层灌胶的igbt器件及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层灌胶的IGBT器件及其封装方法，首先将裸片焊接到DBC基板上表面，并封装好外壳，接着在封装好的外壳内灌封一层有机硅凝胶，有机硅凝胶高度需覆盖DBC基板、裸片、键合线，等待有机硅凝胶固化；然后等有机硅凝胶固化后，在封装好的外壳内灌入一层环氧塑封料，然后进行环氧塑封料的固化；最后在双层灌胶封装完成后，将IGBT器件整体安装到散热器上，即完成了IGBT器件的封装，封装方便快捷。上述一种双层灌胶的IGBT器件大大降低了热阻，散热效果好，从一定程度上避免了IGBT器件因温度过高而失效，大幅提高了IGBT器件的使用寿命。

Description

一种双层灌胶的IGBT器件及其封装方法

技术领域

本发明涉及功率半导体器件的封装技术领域，具体涉及一种双层灌胶的IGBT器件及其封装方法。

背景技术

在电力电子产业领域中，绝缘栅双极晶体管IGBT模块作为一款新型功率半导体器件，具有自关断特点，因此将IGBT模块看作电路开关，用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电电路，并广泛应用到轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

目前，IGBT器件的封装主要采用塑封或灌封方式，塑封又称硬包封，封装的材料主要是环氧塑封材料，环氧塑封材料一般具有较强的力学性能，可起到一定的机械固定功能，但因其与金属导体等材料存在热膨胀系数差异，容易导致材料热疲劳开裂，而灌封又称软包封，灌封所使用的材料通常为有机填充介质，包括环氧树脂、聚氨酯和有机硅凝胶等，这些有机填充介质灌入到电力电子器件的功能模块内，经过一定条件固化形成弹性胶态，机械固定能力差，另外功能模块在使用时大量产热，散热不佳的情况下弹性胶态的封层存在受热膨胀，导致IGBT器件隆起甚至裂开的可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双层灌胶的IGBT器件及其封装方法，以解决背景技术提到的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种双层灌胶的IGBT器件，包括DBC基板，所述DBC基板上固定设置至少一个裸片，以及覆盖于所述DBC基板和所述裸片上的外壳，所述外壳内灌封有一层有机硅凝胶，所述有机硅凝胶高度不得低于所述裸片上表面，所述机硅凝胶上方塑封一层环氧塑封料，所述DBC基板底部还设置有散热器。

作为本发明进一步的方案：所述DBC基板包括：第一铜层、陶瓷层以及第二铜层，所述第一铜层和第二铜层分别贴附在所述陶瓷层的两个表面上，所述裸片焊接于所述第一铜层上。

作为本发明进一步的方案：所述有机硅凝胶与所述环氧塑封料之间设置一层导热铝板。

作为本发明进一步的方案：所述散热器顶部开设有用于放置I GBT器件的放置槽，所述第二铜层直接贴合与所述放置槽内底面。

作为本发明进一步的方案：所述散热器包括：

空心壳体，所述空心壳体上设置有进水管道和出水管道；

水冷管路，所述水冷管路设置于所述空心壳体内，所述水冷管路的进水端与所述进水管道连通，所述水冷管路的出水端与所述出水管道连通。

作为本发明进一步的方案：所述水冷管路为S型曲线结构，所述空心壳体内顶壁上开设有与所述水冷管路相匹配的限位槽，所述水冷管路嵌设于所述限位槽内。

作为本发明进一步的方案：所述心壳体内顶壁上还均匀嵌设有若干导热柱，所述导热柱沿着所述水冷管路均匀分布在所述水冷管路两侧。

作为本发明进一步的方案：所述壳体内底部还设置有一层导热硅胶垫，所述导热硅胶垫顶部与所述水冷管路贴合。

作为本发明进一步的方案：所述导热柱下段嵌设于所述导热硅胶垫内。

一种双层灌胶的I GBT器件的封装方法，包括以下步骤：

S1，将裸片焊接到DBC基板上表面，并封装好外壳；

S2，在封装好的外壳内灌封一层有机硅凝胶，有机硅凝胶高度需覆盖DBC基板、裸片、键合线，等待有机硅凝胶固化；

S3，有机硅凝胶固化后，在封装好的外壳内灌入一层环氧塑封料，然后进行环氧塑封料的固化；

S4，在双层灌胶封装完成后，将I GBT器件整体安装到散热器上。

本发明的有益效果：

(1)通过直接将DBC基板安装到散热器上，省去了基板，减少了基板的使用量，DBC基板直接与散热器连接，大大降低了热阻，散热效果好，从一定程度上避免了I GBT器件因温度过高而失效，大幅提高了I GBT器件的使用寿命，同时在有机硅凝胶上方在设置一层环氧塑封料，采取硅凝胶和环氧塑封料在功率模块内的双层灌封，柔软、应力较小的有机硅凝胶在下层保护芯片、键合线、DBC等脆弱的元器件，同时由于散热效果好，避免了有机硅凝胶存在温度过高受热膨胀，导致I GBT器件隆起甚至裂开的可能，环氧塑封料具有较强的力学性能，可起到一定的机械固定功能，因其设置在有机硅凝胶上层，不与DBC基板、裸片等直接接触，避免因其与金属导体等材料存在热膨胀系数差异，容易导致材料热疲劳开裂的问题。

(2)通过设置若干导热柱、S型曲线结构的水冷管路以及导热硅胶垫，可以大幅提高散热器的散热效果，散热器的散热效果越好，双层灌胶的I GBT器件的使用寿命越长。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是现有技术中的I GBT模块结构示意图；

图2是本发明一种双层灌胶的I GBT器件剖视结构示意图；

图3是本发明散热器剖视结构示意图；

图4是本发明散热器立体结构示意图；

图5是本发明散热器仰视剖面结构示意图。

图中：1、DBC基板；2、裸片；3、外壳；4、有机硅凝胶；5、环氧塑封料；6、散热器；7、第一铜层；8、陶瓷层；9、第二铜层；10、导热铝板；11、放置槽；12、空心壳体；13、进水管道；14、出水管道；15、水冷管路；16、限位槽；17、导热柱；18、导热硅胶垫；19、引脚。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

I GBT在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。其已成为新能源汽车控制器中的核心器件，目前正朝着小型化、高功率密度发展。

I GBT模块主要由芯片、直接覆铜陶瓷层(DBC)和基板构成，层间通过焊料焊接，芯片、导电端子、栅极端子、引线的上方需要密封材料密封，基板一般需要通过导热硅脂与散热器相连。

如图1所示的是一种现有的I GBT器件的封装结构剖面示意图，DBC直接焊接于基板上，裸片是指已经过测试但还未经过封装的功率器件的芯片，极易受到外部环境的温度、杂质和物理作用力的影响，因此必须将其封入一个密闭空间内，引出相应的引脚，才能作为一个基本的元器件使用，贴附在DBC上，并通过导线实现电气互联，DBC上还连接了引脚，以使功率器件与外部控制器件电气互连，DBC以及基板设置在塑料壳围设的空间内，它们与塑料壳之间的间隙通过导热凝胶填充封装，以起到缓冲和散热的作用，进一步地，基板还可通过导热的硅脂或凝胶等材料与具有散热凸起或散热鳍片的散热器相连，以提高该封装结构的散热能力。

目前，I GBT器件的封装主要采用塑封或灌封方式，塑封又称硬包封，封装的材料主要是环氧塑封材料，环氧塑封材料一般具有较强的力学性能，可起到一定的机械固定功能，但因其与金属导体等材料存在热膨胀系数差异，容易导致材料热疲劳开裂，而灌封又称软包封，灌封所使用的材料通常为有机填充介质，包括环氧树脂、聚氨酯和有机硅凝胶等，这些有机填充介质灌入到电力电子器件的功能模块内，经过一定条件固化形成弹性胶态，机械固定能力差，另外功能模块在使用时大量产热，散热不佳的情况下弹性胶态的封层存在受热膨胀，导致I GBT器件隆起甚至裂开的可能。

实施例一

参见图2所示，基于以上问题，本发明实施例提供了一种双层灌胶的I GBT器件，包括DBC基板1和引脚19，引脚19通过连接线与DBC基板1连接，引脚19用于将I GBT器件与外部电元件连接，DBC基板1上固定设置至少一个裸片2，以及覆盖于DBC基板1和裸片2上的外壳3述外壳3内灌封有一层有机硅凝胶4，有机硅凝胶4高度不得低于芯片上表面，有机硅凝胶4上方塑封一层环氧塑封料5，DBC基板1底部还设置有散热器6。

封装上述双层灌胶的I GBT器件时：

首先将裸片2焊接到DBC基板1上表面，并封装好外壳3；

接着在封装好的外壳3内灌封一层有机硅凝胶4，有机硅凝胶4高度需覆盖DBC基板1、裸片2、键合线，等待有机硅凝胶4固化；

然后等有机硅凝胶4固化后，在封装好的外壳3内灌入一层环氧塑封料5，然后进行环氧塑封料5的固化；

最后在双层灌胶封装完成后，将I GBT器件整体安装到散热器6上，即完成了I GBT器件的封装，封装方便快捷。

本发明直接将DBC基板1安装到散热器6上，省去了基板，减少了基板的使用量，DBC基板1直接与散热器6连接，相对于DBC基板1先与基板连接，再将基板通过导热的硅脂或凝胶等材料与散热器6接触来说，大大降低了热阻，散热效果好，从一定程度上避免了I GBT器件因温度过高而失效，大幅提高了I GBT器件的使用寿命，同时在有机硅凝胶4上方在设置一层环氧塑封料5，采取硅凝胶和环氧塑封料5在功率模块内的双层灌封，柔软、应力较小的有机硅凝胶4在下层保护芯片、键合线、DBC等脆弱的元器件，同时由于散热效果好，避免了有机硅凝胶4存在温度过高受热膨胀，导致I GBT器件隆起甚至裂开的可能，环氧塑封料5具有较强的力学性能，可起到一定的机械固定功能，因其设置在有机硅凝胶4上层，不与DBC基板1、裸片2等直接接触，避免因其与金属导体等材料存在热膨胀系数差异，容易导致材料热疲劳开裂的问题。

本实施例中，DBC基板1包括第一铜层7、陶瓷层8以及第二铜层9，第一铜层7和第二铜层9分别贴附在陶瓷层8的两个表面上，裸片2焊接于所述第一铜层7上，陶瓷片具有优良的导热性能和高绝缘性，可以起到支撑裸片2以及安规绝缘的功能，第二铜层9可以方便DBC基板1与散热器6通过焊接等方式实现固定连接。

进一步的，有机硅凝胶4与环氧塑封料5之间设置一层导热铝板10，导热铝板10用于避免因有机硅凝胶4与环氧塑封料5存在热膨胀系数差异，容易导致材料热疲劳开裂的问题。

实施例二

参见图2-5所示，在实施例一的基础上，本实施例提供的一种双层灌胶的I GBT器件，在散热器6顶部开设有用于放置I GBT器件的放置槽11，方便将I GBT器件安装装到放置槽11内，第二铜层9直接贴合与放置槽11内底面。

该散热器6包括空心壳体12和水冷管路15，空心壳体12上设置有进水管道13和出水管道14，水冷管路15设置于空心壳体12内，水冷管路15的进水端与进水管道13连通，水冷管路15的出水端与出水管道14连通，使用时，冷却液从进水管道13流入水冷管路15，冷却液从水冷管路15内流动至出水管道14，从而将I GBT器件传导给散热器6的热量带走，进一步提高散热器6的散热效果。

优选的，如图5所示，水冷管路15为S型曲线结构，空心壳体12内顶壁上开设有与水冷管路15相匹配的限位槽16，水冷管路15嵌设于限位槽16内，S型曲线结构的水冷管路15增加冷却液的流动路程，限位槽16增加水冷管路15与空心壳体12的接触面积，都能提高水冷管路15的散热效率。

进一步的，心壳体内顶壁上还均匀嵌设有若干导热柱17，导热柱17优选氧化铝陶瓷柱，导热柱17沿着水冷管路15均匀分布在水冷管路15两侧，若干导热柱17顶部直接与DBC基板1接触，能快速将DBC基板1产生的热量通过若干导热柱17传递至水冷管路15内，更进一步提高散热器6的散热效果。

更进一步的，壳体内底部还设置有一层导热硅胶垫18，导热硅胶垫18顶部与水冷管路15贴合，导热柱17下段嵌设于导热硅胶垫18内，导热硅胶垫18配合水冷管路15共同将导热柱17上的热量传递出去。

散热器6的散热效果越好，本发明提供的双层灌胶的I GBT器件的使用寿命越长。

以上对本发明的较佳实施例进行了详细说明，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种双层灌胶的I GBT器件,包括DBC基板(1)，所述DBC基板(1)上固定设置至少一个裸片(2)，以及覆盖于所述DBC基板(1)和所述裸片(2)上的外壳(3)，其特征在于：所述外壳(3)内灌封有一层有机硅凝胶(4)，所述有机硅凝胶(4)高度不得低于所述裸片(2)上表面，所述机硅凝胶上方塑封一层环氧塑封料(5)，所述DBC基板(1)底部还设置有散热器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述DBC基板(1)包括：第一铜层(7)、陶瓷层(8)以及第二铜层(9)，所述第一铜层(7)和第二铜层(9)分别贴附在所述陶瓷层(8)的两个表面上，所述裸片(2)焊接于所述第一铜层(7)上。

3.根据权利要求2所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述有机硅凝胶(4)与所述环氧塑封料(5)之间设置一层导热铝板(10)。

4.根据权利要求3所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述散热器(6)顶部开设有用于放置I GBT器件的放置槽(11)，所述第二铜层(9)直接贴合与所述放置槽(11)内底面。

5.根据权利要求4所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述散热器(6)包括：

空心壳体(12)，所述空心壳体(12)上设置有进水管道(13)和出水管道(14)；

水冷管路(15)，所述水冷管路(15)设置于所述空心壳体(12)内，所述水冷管路(15)的进水端与所述进水管道(13)连通，所述水冷管路(15)的出水端与所述出水管道(14)连通。

6.根据权利要求5所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述水冷管路(15)为S型曲线结构，所述空心壳体(12)内顶壁上开设有与所述水冷管路(15)相匹配的限位槽(16)，所述水冷管路(15)嵌设于所述限位槽(16)内。

7.根据权利要求6所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述心壳体内顶壁上还均匀嵌设有若干导热柱(17)，所述导热柱(17)沿着所述水冷管路(15)均匀分布在所述水冷管路(15)两侧。

8.根据权利要求7所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述壳体内底部还设置有一层导热硅胶垫(18)，所述导热硅胶垫(18)顶部与所述水冷管路(15)贴合。

9.根据权利要求8所述的一种双层灌胶的I GBT器件,其特征在于，所述导热柱(17)下段嵌设于所述导热硅胶垫(18)内。

10.一种权利要求1所述的双层灌胶的I GBT器件的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将裸片(2)焊接到DBC基板(1)上表面，并封装好外壳(3)；

S2，在封装好的外壳(3)内灌封一层有机硅凝胶(4)，有机硅凝胶(4)高度需覆盖DBC基板(1)、裸片(2)、键合线，等待有机硅凝胶(4)固化；

S3，有机硅凝胶(4)固化后，在封装好的外壳(3)内灌入一层环氧塑封料(5)，然后进行环氧塑封料(5)的固化；

S4，在双层灌胶封装完成后，将I GBT器件整体安装到散热器(6)上。