CN211957641U - 一种新封装结构的三电平igbt模块 - Google Patents

一种新封装结构的三电平igbt模块 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种新封装结构的三电平IGBT模块，包括依次相互扣合安装的铜基板、注塑外框和注塑盖板，其中铜基板的上方设有陶瓷覆铜基板，该陶瓷覆铜基板的上方中部设有IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方边缘部位设有功率电极和热敏电阻，IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方分别设有铝线，铜基板的两侧分别设有信号电极，该信号电极通过铜线焊接与陶瓷覆铜基板或热敏电阻相连接。本实用新型设计的新封装结构的三电平IGBT模块的体积约为现有三电平功率模块体积的2/3，体积较小给客户安装提供了便捷，更方便客户整机的设计，客户可以缩小整机的体积和空间，进而降低成本。

Description

一种新封装结构的三电平IGBT模块
技术领域
本实用新型属于功率模块技术领域，具体涉及一种新封装结构的三电平IGBT模块。
背景技术
随着功率IGBT模块广泛的应用于各种工业场所，对IGBT模块可靠性的要求越来越高，焊接式的电极由于在安装时会带给焊接处长期的应力，以及焊接处基板材料与电极材料的热膨胀系数的差异，都会对模块的长期可靠性的造成影响。现有通用的半桥式功率模块封装，一般是将功率电极、信号端子通过与DBC板（陶瓷覆铜基板）进行锡焊焊接后，再安装外壳的一种封装形式。其中常规的功率电极在进行锡焊焊接安装后会对底部产生长期的应力，应力集中在功率电极底部的焊接区域，同时由于功率电极与焊料的热膨胀系数不同，在功率模块使用时，反复的温度变化会使得焊点容易开裂，最终导致模块的失效。现有的三电平IGBT模块的应用方式一般有两种：1、目前用两种功率模块通过外部电路的连接构成三电平电路，该方式的缺点是两款功率模块在整机中占用空间比较大；2、目前存在一种单个的三电平功率模块，该功率模块体积较大，对应成本较高。
发明内容
本实用新型解决的技术问题是提供了一种结构设计合理、体积较小、焊接稳定性高且成本相对低廉的新封装结构的三电平IGBT模块。
本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于包括依次相互扣合安装的铜基板、注塑外框和注塑盖板，其中铜基板的上方设有陶瓷覆铜基板，该陶瓷覆铜基板的上方中部设有IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方边缘部位设有功率电极和热敏电阻，IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方分别设有铝线，铜基板的两侧分别设有信号电极，该信号电极通过铜线焊接与陶瓷覆铜基板或热敏电阻相连接。
进一步限定，所述注塑外框通过垫圈连接固定于铜基板上，该注塑外框上与信号电极相对应的位置设有信号电极安装孔，信号电极穿过该信号电极安装孔，所述注塑盖板上与功率电极相对应的位置设有功率电极安装孔，功率电极安装孔一侧的注塑盖板上设有用于安装接线螺母的螺丝孔，功率电极穿过功率电极安装孔，功率电极的上侧中部设有接线螺母安装孔，接线螺母安装孔下部的功率电极本体上设有用于实现功率电极本体折弯定位的折弯槽，该功率电极本体垂直折弯后接线螺母安装孔与注塑盖板上的螺丝孔相对。
进一步限定，所述陶瓷覆铜基板上分为6个覆铜区域，其中覆铜区域I上设有功率电极I及通过铝线相互键合的IGBT芯片I和二极管芯片I，二极管芯片I通过铝线键合与覆铜区域III相连接，覆铜区域II上设有功率电极II，覆铜区域I上设有通过铝线相互键合的IGBT芯片II和二极管芯片II，IGBT芯片II通过铝线键合与覆铜区域IV相连接，覆铜区域IV上设有功率电极III，覆铜区域V上设有IGBT芯片III和二极管芯片III，该IGBT芯片III通过铝线键合与覆铜区域III相连接，二极管芯片III通过铝线键合与覆铜区域III相连接，覆铜区域V通过铝线键合与覆铜区域VI相连接，覆铜区域VI上设有IGBT芯片IV和二极管芯片IV，IGBT芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII相连接，二极管芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII相连接，覆铜区域VII上设有功率电极IV，所述陶瓷覆铜基板一侧的非覆铜区域设有热敏电阻和3个接线端子即接线端子I、II和III，陶瓷覆铜基板另一侧的非覆铜区域设有4个接线端子即接线端子IV、V、VI进而VII，邻近热敏电阻一侧的铜基板上方设有6组信号电极，其中2组信号电极通过铜线焊接与热敏电阻相连接，3组信号电极分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板非覆铜区域的3个接线端子相连接，同时接线端子I通过铝线键合与IGBT芯片II接线端相连接，接线端子II通过铝线键合与覆铜区域III相连接，接线端子III与IGBT芯片III接线端相连接，1组信号电极通过铜线焊接与覆铜区域IV相连接，另一侧的铜基板上设有5组信号电极，其中4组信号电极分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板非覆铜区域的4个接线端子相连接，同时接线端子IV通过铝线键合与IGBT芯片I相连接，接线端子V通过铝线键合与IGBT芯片I接线端相连接，接线端子VI通过铝线键合与IGBT芯片IV接线端相连接，接线端子VII通过铝线键合与IGBT芯片IV相连接，1组信号电极通过铜线焊接与覆铜区域VI项连接。
进一步限定，所述铜基板、陶瓷覆铜基板、IGBT芯片及二极管芯片一次焊接成型。
进一步限定，所述功率电极包括功率电极本体，该功率电极本体的底部一侧设有竖直连接部，竖直连接部的底端设有水平向一侧翻折的水平连接部，水平连接部的内端设有竖直向下翻折的竖直过渡部，竖直过渡部的底端设有水平向水平连接部相反侧翻折的水平焊接部，所述竖直连接部的宽度为功率电极本体宽度的1/4-1/2。
进一步限定，所述竖直连接部、水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部一体折弯成型，其中水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部的宽度一致，水平连接部的宽度小于竖直连接部的宽度。
进一步限定，所述功率电极本体的下侧中部设有灌胶孔，用于在功率模块封胶过程中使得封装胶灌充于功率电极的灌胶孔内以进一步增强功率电极的固定稳定性。
进一步限定，所述功率电极本体的下侧中部设有与功率电极本体垂直的凸起，用于在实现功率电极与基板进行锡焊焊接过程中通过焊接治具对功率电极的凸起进行下压以实现功率电极与基板焊接的牢靠性。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型设计的新封装结构的三电平IGBT模块的体积约为现有三电平功率模块体积的2/3，体积较小给客户安装提供了便捷，更方便客户整机的设计，客户可以缩小整机的体积和空间，进而降低成本；本实用新型通过对功率电极进行结构改进有效避免了由焊接式常规功率电极安装带来的长期应力疲劳及由不同热膨胀系数材料带来的热疲劳，确保了功率模块的可靠性，同时提高了生产效率并降低了成本。
附图说明
图1是功率电极、IGBT芯片及二极管芯片焊接后的结构示意图；
图2是铝线键合连接后的结构示意图；
图3是铜线焊接连接后的结构示意图；
图4是安装注塑外框及注塑盖板后的结构示意图；
图5是功率电极的结构示意图。
图中：1-铜基板，2-注塑外框，3-注塑盖板，4-陶瓷覆铜基板，401-覆铜区域I，402-覆铜区域II，403-覆铜区域III，404-覆铜区域IV，405-覆铜区域V，406-覆铜区域VI，407-覆铜区域VII，5-IGBT芯片，6-二极管芯片，7-功率电极，8-热敏电阻，9-铝线，10-信号电极，11-铜线。
具体实施方式
结合附图详细描述本实用新型的技术方案，一种新封装结构的三电平IGBT模块，包括依次相互扣合安装的铜基板1、注塑外框2和注塑盖板3，其中铜基板1的上方设有陶瓷覆铜基板4，该陶瓷覆铜基板4的上方中部设有IGBT芯片5和二极管芯片6及陶瓷覆铜基板4的上方边缘部位设有功率电极7和热敏电阻8，IGBT芯片5和二极管芯片6及陶瓷覆铜基板4的上方分别设有铝线9，铜基板1的两侧分别设有信号电极10，该信号电极10通过铜线11焊接与陶瓷覆铜基板4或热敏电阻8相连接。
本实用新型所述注塑外框2通过垫圈11连接固定于铜基板1上，该注塑外框2上与信号电极10相对应的位置设有信号电极安装孔，信号电极10穿过该信号电极安装孔，所述注塑盖板3上与功率电极7相对应的位置设有功率电极安装孔，功率电极安装孔一侧的注塑盖板3上设有用于安装接线螺母的螺丝孔，功率电极7穿过该功率电极安装孔，功率电极7的上侧中部设有接线螺母安装孔，接线螺母安装孔下部的功率电极7上设有用于实现功率电极7折弯定位的折弯槽，该功率电极垂直折弯后接线螺母安装孔与注塑盖板2上的螺丝孔相对。
本实用新型所述陶瓷覆铜基板4上分为6个覆铜区域，其中覆铜区域I 401上设有功率电极I及通过铝线相互键合的IGBT芯片I和二极管芯片I，二极管芯片I通过铝线键合与覆铜区域III 403相连接，覆铜区域II 402上设有功率电极II，覆铜区域III 403上设有通过铝线相互键合的IGBT芯片II和二极管芯片II，IGBT芯片II通过铝线键合与覆铜区域IV404相连接，覆铜区域IV 404上设有功率电极III，覆铜区域V 405上设有IGBT芯片III和二极管芯片III，该IGBT芯片III通过铝线键合与覆铜区域III 403相连接，二极管芯片III通过铝线键合与覆铜区域III 403相连接，覆铜区域V 405通过铝线键合与覆铜区域VI 406相连接，覆铜区域VI 406上设有IGBT芯片IV和二极管芯片IV，IGBT芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII 407相连接，二极管芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII 407相连接，覆铜区域VII 407上设有功率电极IV，所述陶瓷覆铜基板4一侧的非覆铜区域设有热敏电阻8和3个接线端子即接线端子I、II和III，陶瓷覆铜基板3另一侧的非覆铜区域设有4个接线端子即接线端子IV、V、VI进而VII，邻近热敏电阻8一侧的铜基板1上方设有6组信号电极10，其中2组信号电极10通过铜线焊接与热敏电阻8相连接，3组信号电极10分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板4非覆铜区域的3个接线端子相连接，同时接线端子I通过铝线键合与IGBT芯片II接线端相连接，接线端子II通过铝线键合与覆铜区域III 403相连接，接线端子III与IGBT芯片III接线端相连接，1组信号电极通过铜线焊接与覆铜区域IV 404相连接，另一侧的铜基板1上设有5组信号电极10，其中4组信号电极10分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板4非覆铜区域的4个接线端子相连接，同时接线端子IV通过铝线键合与IGBT芯片I相连接，接线端子V通过铝线键合与IGBT芯片I接线端相连接，接线端子VI通过铝线键合与IGBT芯片IV接线端相连接，接线端子VII通过铝线键合与IGBT芯片IV相连接，1组信号电极10通过铜线焊接与覆铜区域VI 406相连接。
本实用新型所述铜基板1、陶瓷覆铜基板3、IGBT芯片5及二极管芯片6一次焊接成型；所述功率电极7包括功率电极本体，该功率电极本体的底部一侧设有竖直连接部，竖直连接部的底端设有水平向一侧翻折的水平连接部，水平连接部的内端设有竖直向下翻折的竖直过渡部，竖直过渡部的底端设有水平向水平连接部相反侧翻折的水平焊接部，所述竖直连接部的宽度为功率电极本体宽度的1/4-1/2；所述竖直连接部、水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部一体折弯成型，其中水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部的宽度一致，水平连接部的宽度小于竖直连接部的宽度；所述功率电极本体的下侧中部设有灌胶孔，用于在功率模块封胶过程中使得封装胶灌充于功率电极的灌胶孔内以进一步增强功率电极的固定稳定性；所述功率电极本体的下侧中部设有与功率电极本体垂直的凸起，用于在实现功率电极与基板进行锡焊焊接过程中通过焊接治具对功率电极的凸起进行下压以实现功率电极与基板焊接的牢靠性。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (8)

1.一种新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于包括依次相互扣合安装的铜基板、注塑外框和注塑盖板，其中铜基板的上方设有陶瓷覆铜基板，该陶瓷覆铜基板的上方中部设有IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方边缘部位设有功率电极和热敏电阻，IGBT芯片和二极管芯片及陶瓷覆铜基板的上方分别设有铝线，铜基板的两侧分别设有信号电极，该信号电极通过铜线焊接与陶瓷覆铜基板或热敏电阻相连接。
2.根据权利要求1所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述注塑外框通过垫圈连接固定于铜基板上，该注塑外框上与信号电极相对应的位置设有信号电极安装孔，信号电极穿过该信号电极安装孔，所述注塑盖板上与功率电极相对应的位置设有功率电极安装孔，功率电极安装孔一侧的注塑盖板上设有用于安装接线螺母的螺丝孔，功率电极穿过功率电极安装孔，功率电极的上侧中部设有接线螺母安装孔，接线螺母安装孔下部的功率电极本体上设有用于实现功率电极本体折弯定位的折弯槽，该功率电极本体垂直折弯后接线螺母安装孔与注塑盖板上的螺丝孔相对。
3.根据权利要求1所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述陶瓷覆铜基板上分为6个覆铜区域，其中覆铜区域I上设有功率电极I及通过铝线相互键合的IGBT芯片I和二极管芯片I，二极管芯片I通过铝线键合与覆铜区域III相连接，覆铜区域II上设有功率电极II，覆铜区域I上设有通过铝线相互键合的IGBT芯片II和二极管芯片II，IGBT芯片II通过铝线键合与覆铜区域IV相连接，覆铜区域IV上设有功率电极III，覆铜区域V上设有IGBT芯片III和二极管芯片III，该IGBT芯片III通过铝线键合与覆铜区域III相连接，二极管芯片III通过铝线键合与覆铜区域III相连接，覆铜区域V通过铝线键合与覆铜区域VI相连接，覆铜区域VI上设有IGBT芯片IV和二极管芯片IV，IGBT芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII相连接，二极管芯片IV通过铝线键合与覆铜区域VII相连接，覆铜区域VII上设有功率电极IV，所述陶瓷覆铜基板一侧的非覆铜区域设有热敏电阻和3个接线端子即接线端子I、II和III，陶瓷覆铜基板另一侧的非覆铜区域设有4个接线端子即接线端子IV、V、VI进而VII，邻近热敏电阻一侧的铜基板上方设有6组信号电极，其中2组信号电极通过铜线焊接与热敏电阻相连接，3组信号电极分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板非覆铜区域的3个接线端子相连接，同时接线端子I通过铝线键合与IGBT芯片II接线端相连接，接线端子II通过铝线键合与覆铜区域III相连接，接线端子III与IGBT芯片III接线端相连接，1组信号电极通过铜线焊接与覆铜区域IV相连接，另一侧的铜基板上设有5组信号电极，其中4组信号电极分别通过铜线焊接与同侧陶瓷覆铜基板非覆铜区域的4个接线端子相连接，同时接线端子IV通过铝线键合与IGBT芯片I相连接，接线端子V通过铝线键合与IGBT芯片I接线端相连接，接线端子VI通过铝线键合与IGBT芯片IV接线端相连接，接线端子VII通过铝线键合与IGBT芯片IV相连接，1组信号电极通过铜线焊接与覆铜区域VI项连接。
4.根据权利要求1所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述铜基板、陶瓷覆铜基板、IGBT芯片及二极管芯片一次焊接成型。
5.根据权利要求1所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述功率电极包括功率电极本体，该功率电极本体的底部一侧设有竖直连接部，竖直连接部的底端设有水平向一侧翻折的水平连接部，水平连接部的内端设有竖直向下翻折的竖直过渡部，竖直过渡部的底端设有水平向水平连接部相反侧翻折的水平焊接部，所述竖直连接部的宽度为功率电极本体宽度的1/4-1/2。
6.根据权利要求5所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述竖直连接部、水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部一体折弯成型，其中水平连接部、竖直过渡部及水平焊接部的宽度一致，水平连接部的宽度小于竖直连接部的宽度。
7.根据权利要求5所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述功率电极本体的下侧中部设有灌胶孔，用于在功率模块封胶过程中使得封装胶灌充于功率电极的灌胶孔内以进一步增强功率电极的固定稳定性。
8.根据权利要求5所述的新封装结构的三电平IGBT模块，其特征在于：所述功率电极本体的下侧中部设有与功率电极本体垂直的凸起，用于在实现功率电极与基板进行锡焊焊接过程中通过焊接治具对功率电极的凸起进行下压以实现功率电极与基板焊接的牢靠性。
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