CN102881589A - 一种压接式igbt模块的制作方法及压接式igbt模块 - Google Patents

Abstract

一种压接式IGBT模块的制作方法及压接式IGBT模块，该方法的步骤为：①将底部钼片放置在一烧结基座中，将辅助夹具和多个功率半导体芯片放置于底部钼片上；②通过烧结将功率半导体芯片固定在底部钼片上，再将辅助夹具及烧结基座取掉；③安装PCB；④利用PCB作为上部钼片的定位工具将多个上部钼片固定；⑤进行管壳的压接。该模块包括底部钼片、功率半导体芯片、PCB和上部钼片，底部钼片为功率半导体芯片提供电流和散热通路，功率半导体芯片通过烧结固定于底部钼片上，PCB位于功率半导体芯片的上方并通过定位与底部钼片连接，上部钼片通过PCB定位固定。本发明具有整体结构更加简单紧凑、制作和装配更加简便、连接的可靠性更好、散热性能更好等优点。

Description

一种压接式IGBT模块的制作方法及压接式IGBT模块

技术领域

本发明主要涉及到绝缘栅双极晶体管（IGBT）领域，特指一种压接式IGBT模块的制作方法及压接式IGBT模块。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）具有通态压降低、电流容量大、输入阻抗高、响应速度快和控制简单的特点，被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。压接式IGBT可以双面散热，具有优良的散热效果和高可靠性，并且在器件损坏时表现出短路失效模式，因此其被广泛应用在智能电网等领域。

现有技术中，有从业者提出一种全压接式IGBT模块，即：在模块内部设置多个芯片定位装置，再将钼片和芯片依次放进定位装置，然后压接而成。其中，IGBT芯片的栅极通过弹簧端子引出到PCB上进行互连。采用这种结构后，由于需要对各个芯片进行单独定位，压接时很难保证一致的压力误差，容易造成芯片损坏。此外，在一个模块内需要多个芯片定位装置，并且还需要在管盖上设置凸点来固定这些定位装置，另外IGBT芯片的栅极需通过弹簧端子引出到PCB上，PCB也需要在管盖上进行固定，这样使得模块的结构更加复杂，加工制造难度很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种整体结构更加简单紧凑、制作和装配更加简便、连接的可靠性更好、散热性能更好的压接式IGBT模块的制作方法及压接式IGBT模块。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种压接式IGBT模块的制作方法，其步骤为：

① 在IGBT模块的封装时，先将底部钼片放置在一烧结基座中，并将一个辅助夹具放置于底部钼片上，接着将多个功率半导体芯片放置于底部钼片上；其中底部钼片为一整块钼片；所述功率半导体芯片包括FRD芯片和IGBT芯片，所述IGBT芯片与FRD芯片呈反并联设置；

② 通过烧结将功率半导体芯片固定在底部钼片上，再将辅助夹具及烧结基座取掉；即，通过底部钼片将IGBT芯片集电极与FRD芯片背面的阴极相连，并作为IGBT模块的集电极；

③ 安装PCB ； 

④ 利用PCB 作为上部钼片的定位工具将多个上部钼片固定；

⑤ 进行管壳的压接：通过压接时外壳的管盖与上部钼片的接触实现IGBT芯片发射极和FRD芯片的阳极互连，并作为IGBT模块的发射极；通过压接时外壳的底座与底部钼片的接触实现了IGBT芯片集电极和FRD芯片的阴极互连，并作为IGBT模块的集电极；通过压接时PCB 的各接触电极与IGBT芯片栅极的接触实现IGBT芯片栅极互连并引出至IGBT模块的外部，作为IGBT模块的栅极。 

作为本发明方法的进一步改进：

本发明还将多个金属片放置于底部钼片上，通过与功率半导体芯片一起烧结固定于底部钼片上，以形成用来固定PCB的定位部。

所述金属片的厚度大于所述功率半导体芯片的厚度，所述金属片的厚度小于功率半导体芯片与PCB的厚度之和。

在所述PCB的下表面设置用来定位和连接的定位口。

所述IGBT芯片背面的IGBT芯片集电极与所述FRD芯片背面的阴极通过烧结固定在底部钼片上，所述IGBT芯片和FRD芯片的设置为关于底部钼片的中心对称，并将IGBT芯片设置为两两栅极相邻，或设置为每三个IGBT芯片栅极相邻。

所述PCB的下表面与IGBT芯片栅极接触的地方设有连接端子，所述连接端子将IGBT芯片栅极引出至PCB 的互连导体上进行互连，然后引出至模块的外部。

所述PCB设置有很多窗口，所述窗口的形状和大小与IGBT芯片及FRD芯片的元胞区内的表面金属化部分的形状与大小相同。

所述上部钼片为多块小片钼片，所述钼片的厚度与PCB的厚度相同，所述钼片的面积和形状与IGBT芯片发射极或FRD芯片的阳极的面积及形状相同。

所述管盖与底座之间通过陶瓷环隔离。

本发明进一步提供一种压接式IGBT模块，它包括底部钼片、功率半导体芯片、PCB和上部钼片，所述底部钼片为一整块钼片并为功率半导体芯片提供电流和散热通路，所述功率半导体芯片通过烧结固定于底部钼片上，所述PCB位于功率半导体芯片的上方并通过定位与底部钼片连接，所述上部钼片通过PCB定位固定。

所述功率半导体芯片包括IGBT芯片和FRD芯片，所述IGBT芯片背面的IGBT芯片集电极与FRD芯片背面的阴极通过烧结固定在底部钼片上，所述IGBT芯片和FRD芯片的设置为关于底部钼片的中心对称，并将IGBT芯片设置为两两栅极相邻，或者设置为每三个IGBT芯片栅极相邻。

所述底部钼片上通过烧结固定有多个金属片，所述金属片用以形成固定PCB的定位部。

所述金属片的厚度大于所述功率半导体芯片的厚度，所述金属片的厚度小于功率半导体芯片与PCB的厚度之和。

所述PCB的下表面设置用来定位和连接的定位口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明结合了焊接式与压接式的特点，功率半导体芯片的背面通过烧结直接固定在底部钼片上，这样的固定方式使功率半导体芯片获得更大的支撑力并具有更好的散热特性；并且，所有功率半导体芯片经过烧结固定到整块底部钼片上，不必在模块内对每一个芯片都设置一个定位单元，简化了模块结构；模块内部IGBT芯片的栅极引出不采用弹簧端子，而是直接采用PCB进行互连及引出；PCB同时还作为上部钼片的定位工具，彻底消除模块内部的辅助定位装置。因此，本发明模块结合了烧结器件和全压接器件的特点与优点，其结构及工艺更简单，并具有更好的散热特性。

附图说明

图1是本发明IGBT模块剖面的错位显示示意图。

图2是将辅助夹具放置于底部钼片上的结构示意图。

图3是图2中A1-A1处的剖视结构示意图。

图4是将功率半导体芯片和金属片通过烧结固定于底部钼片上的结构示意图。

图5是本发明中PCB的结构示意图。

图6是将PCB放置于功率半导体芯片和金属片上后的结构示意图。

图7是将上部钼片放置于PCB上后的结构示意图。

图8是本实例中位于FRD芯片上部的钼片的示意图。

图9是本实例中位于IGBT芯片上部的钼片的示意图。

图10是图7中A2-A2处的剖视结构示意图。

图11是装配完成后的IGBT模块外观结构示意图。

图12是在另一个实施例中利用PCB自身定位口进行定位的结构示意图。

图13是在另一个实施例中采用每三个IGBT芯片栅极相邻时的结构示意图。

图14是在图13的实施例中采用另一种PCB的结构示意图。

图例说明：

1、底部钼片；2、功率半导体芯片；21、FRD芯片；211、阳极；212、阴极；22、IGBT芯片；221、IGBT芯片栅极；222、IGBT芯片发射极；223、IGBT芯片集电极；3、PCB；31、连接端子；32、互连导体；33、栅极互连电极引出端；34、定位口；35、窗口；4、上部钼片；5、金属片；6、辅助夹具；7、烧结基座；80、管盖；81、底座；82、IGBT模块的栅极；84、陶瓷环。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明为一种压接式IGBT模块的制作方法，其具体步骤为：

（1）、在IGBT模块的封装时，先将底部钼片1放置在一烧结基座7中，并将一个辅助夹具6放置于底部钼片1上（参见图1、图2和图3），接着将一定数量的功率半导体芯片2和金属片5放置于底部钼片1上（参见图4）。其中，底部钼片1为一整块钼片，辅助夹具6用来对功率半导体芯片2进行定位，功率半导体芯片2包括FRD芯片21和IGBT芯片22，IGBT芯片22与FRD芯片21呈反并联设置。

（2）、通过烧结将功率半导体芯片2和金属片5固定在底部钼片1上，再将辅助夹具6及烧结基座7取掉。这样，通过底部钼片1实现了IGBT芯片22背面的IGBT芯片集电极223与FRD芯片21背面的阴极212相连。金属片5则固定在底部钼片1上形成定位部（“凸点”），方便PCB 3的定位及固定。该底部钼片1为功率半导体芯片2的提供电流和散热通路，同时作为IGBT模块的集电极。本实例中，可在底部钼片1的边缘处烧结两片具有一定厚度的金属片5（如铝片），形成“凸点”状的定位部。

（3）、利用金属片5 形成的定位部来定位安装PCB 3（参见图5和图6）；其中，PCB 3的下表面与IGBT芯片栅极221接触的地方设有连接端子31，连接端子31将IGBT芯片栅极221引出至PCB 3的互连导体32上进行互连，然后引出至模块的外部。在具体应用时，可以要求PCB 3具有较高的平整度，且具有一定的强度与弹性。

（4）、利用PCB 3作为上部钼片4的定位工具，将多个上部钼片4固定（图7和图10）。其中，上部钼片4既作为一种缓冲介质，起到将IGBT芯片发射极222和FRD芯片21的阳极211引出的作用。与底部钼片1一样，上部钼片4既提供功率半导体芯片的电流通路，也提供散热通路。参见图8和图9为两种不同形状的上部钼片4的结构示意图。

（5）、进行管壳的压接（参见图11）。通过压接时外壳的管盖80与上部钼片4的接触实现IGBT芯片发射极222和FRD芯片21的阳极211互连，并作为IGBT模块的发射极；通过压接时外壳的底座81与底部钼片1的接触实现了IGBT芯片集电极223和FRD芯片21的阴极212互连，并作为IGBT模块的集电极；通过压接时PCB 3的各接触电极与IGBT芯片栅极221的接触实现IGBT芯片栅极221互连并引出至IGBT模块的外部，作为IGBT模块的栅极82；管盖80与底座81之间通过陶瓷环84（陶瓷外壳）隔离。

如图1所示，本发明的压接式IGBT模块，模块整体的外形为圆形，它包括底部钼片1、功率半导体芯片2、金属片5、PCB 3和上部钼片4。其中，底部钼片1为一整块圆形、平坦并有一定厚度的钼片，用来支撑功率半导体芯片2，并为功率半导体芯片2提供电流和散热通路。本实例中，底部钼片1为一平整的、圆形的、厚度为0.2——0.5mm的钼片，其直径视IGBT模块的功率等级而定。PCB 3用来将IGBT芯片栅极221进行互连并引出，同时还作为上部钼片4的定位装置。

参见图4，本实施例中，功率半导体芯片2包括IGBT芯片22和FRD芯片21，IGBT芯片22背面的IGBT芯片集电极223与FRD芯片21背面的阴极212通过烧结固定在底部钼片1上，从而实现IGBT芯片集电极223与FRD芯片21的阴极212相连。IGBT芯片22和FRD芯片21的设置为关于底部钼片1的中心对称，并将IGBT芯片22设置为两两栅极相邻。

在具体应用时，可以根据实际需要，IGBT芯片22和FRD芯片21可以同为正方形，也可以同为长方形，还可以采用不同的形状（即，分别为正方向和长方形）。芯片大小可以相同，也可以不相同，根据不同的电流等级，其最小边长可以小至0.5cm，其最大边长可以大至5cm。在具体应用时，IGBT芯片22和FRD芯片21的厚度可以相同，根据不同的电压等级，范围为60um——750um。

金属片5为具有一定厚度（大于功率半导体芯片2的厚度并小于功率半导体芯片2与PCB 3的厚度之和）的小方片，材质可以为铝或其他金属。通过烧结的方式（如与功率半导体芯片一起烧结）固定在底部钼片1上形成“凸点”状的固定部，用来协助PCB 3进行定位与固定。

参见图5和图6，本实例中，PCB 3具有较高的平整度，并具有一定的强度和弹性，厚度范围为0.5mm——2mm。将PCB 3设置在功率半导体芯片2的上面，其互连导体32设置在PCB 3的内部；PCB 3下表面与IGBT芯片栅极221接触的地方设置有连接端子31，用来将IGBT芯片栅极221引出到PCB 3的互连导体32上并进行互连。PCB 3上还设有栅极互连电极引出端33。上述互连电路（走向）方式并不唯一，可以根据实际需要设计。互连导体层则埋入到PCB 3内部，PCB 3的表面除了连接端子31之外的地方均经过绝缘处理。同时，PCB 3设置有很多窗口35，窗口35的形状和大小与IGBT芯片22及FRD芯片21的元胞区（active area）内的表面金属化部分的形状与大小相同。这些窗口35用来对上部钼片4进行定位和固定。

参见图8和图10，本实例中，上部钼片4为许多小片子，其厚度与PCB 3的厚度相同，其面积和形状与IGBT芯片发射极222或FRD芯片21的阳极211的面积及形状相同。因此，FRD芯片21上部的钼片为小方片（参见图8），而IGBT芯片22上部的钼片具有一个缺角（参见图9），以避免遮盖住IGBT芯片栅极221，方便IGBT芯片栅极221的引出及互连。

参见图3，本实例中，烧结基座7为底部密封的圆环状，烧结基座7的内圆直径比底部钼片1的直径大0.01um（考虑烧结完成后容易脱模），材料可为高熔点（熔点比本发明中的烧结温度高）金属或陶瓷材料。

参见图2和图3，辅助夹具6为高熔点（熔点比本发明中的烧结温度高）金属或陶瓷材料。在辅助夹具6最外面的八个点中，距离最远的两个点之间的距离与底部钼片1的直径相同。根据实际需要，该辅助夹具6的中间设置多个方形（正方形或长方形）夹具窗口，夹具窗口的大小与IGBT芯片22及FRD芯片21的大小相同。

可以理解，在其他的实施例中，参见图13所示，还可以将IGBT芯片22设置为每三个IGBT芯片栅极221相邻，这时候PCB 3的形状要做相应的调整（参见图14），这同样也应属于本发明的保护范围之内。

可以理解，在其他的实施例中，参见图12所示，PCB 3的定位不采用利用金属片5所形成的“凸点”状定位部，而是可以直接通过在PCB 3下表面设置定位口34，从而实现PCB 3的定位。这时候，就不再需要设置和烧结金属片5，从而进一步简化了IGBT模块的整体结构，这同样也应属于本发明的保护范围之内。

可以理解，在其他的实施例中，IGBT芯片22与FRD芯片21的厚度可以是不相同，这样更加与实际需要贴近。这时，PCB 3的局部厚度需要相应调整，以适应不同的芯片厚度。同时，上部钼片4的厚度也应调整，以实现压接后所有的上部钼片4的上表面均处于同一水平面上。

或者，PCB 3局部的定位口34的开口深度需要相应调整（参考图12），以适应不同的芯片厚度；同时，上部钼片4的厚度也应调整，以实现压接后所有的上部钼片4的上表面均处于同一水平面上。

以上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，应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，步骤为：

① 在IGBT模块的封装时，先将底部钼片（1）放置在一烧结基座（7）中，并将一个辅助夹具（6）放置于底部钼片（1）上，接着将多个功率半导体芯片（2）放置于底部钼片（1）上；其中底部钼片（1）为一整块钼片；所述功率半导体芯片（2）包括FRD芯片（21）和IGBT芯片（22），所述IGBT芯片（22）与FRD芯片（21）呈反并联设置；

② 通过烧结将功率半导体芯片（2）固定在底部钼片（1）上，再将辅助夹具（6）及烧结基座（7）取掉；即，通过底部钼片（1）将IGBT芯片集电极（223）与FRD芯片（21）背面的阴极（212）相连，并作为IGBT模块的集电极；

③ 安装PCB （3）； 

④ 利用PCB （3）作为上部钼片（4）的定位工具将多个上部钼片（4）固定；

⑤ 进行管壳的压接：通过压接时外壳的管盖（80）与上部钼片（4）的接触实现IGBT芯片发射极（222）和FRD芯片（21）的阳极（211）互连，并作为IGBT模块的发射极；通过压接时外壳的底座（81）与底部钼片（1）的接触实现了IGBT芯片集电极（223）和FRD芯片（21）的阴极（212）互连，并作为IGBT模块的集电极；通过压接时PCB（3）的各接触电极与IGBT芯片栅极（221）的接触实现IGBT芯片栅极（221）互连并引出至IGBT模块的外部，作为IGBT模块的栅极（82）。

2.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，还将多个金属片（5）放置于底部钼片（1）上，通过与功率半导体芯片（2）一起烧结固定于底部钼片（1）上，以形成用来固定PCB（3）的定位部。

3.根据权利要求2所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述金属片（5）的厚度大于所述功率半导体芯片（2）的厚度，所述金属片（5）的厚度小于功率半导体芯片（2）与PCB（3）的厚度之和。

4.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，在所述PCB（3）的下表面设置用来定位和连接的定位口（34）。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述IGBT芯片（22）背面的IGBT芯片集电极（223）与所述FRD芯片（21）背面的阴极（212）通过烧结固定在底部钼片（1）上，所述IGBT芯片（22）和FRD芯片（21）的设置为关于底部钼片（1）的中心对称，并将IGBT芯片（22）设置为两两栅极相邻，或设置为每三个IGBT芯片栅极（221）相邻。

6.根据权利要求5所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述PCB（3）的下表面与IGBT芯片栅极（221）接触的地方设有连接端子（31），所述连接端子（31）将IGBT芯片栅极（221）引出至PCB（3）的互连导体（32）上进行互连，然后引出至模块的外部。

7.根据权利要求5所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述PCB（3）设置有很多窗口（35），所述窗口（35）的形状和大小与IGBT芯片（22）及FRD芯片（21）的元胞区内的表面金属化部分的形状与大小相同。

8.根据权利要求5所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述上部钼片（4）为多块小片钼片，所述钼片的厚度与PCB（3）的厚度相同，所述钼片的面积和形状与IGBT芯片发射极（222）或FRD芯片（21）的阳极（211）的面积及形状相同。

9.根据权利要求1～4中任意一项所述的压接式IGBT模块的制作方法，其特征在于，所述管盖（80）与底座（81）之间通过陶瓷环（84）隔离。

10.一种压接式IGBT模块，其特征在于：它包括底部钼片（1）、功率半导体芯片（2）、PCB（3）和上部钼片（4），所述底部钼片（1）为一整块钼片并为功率半导体芯片（2）提供电流和散热通路，所述功率半导体芯片（2）通过烧结固定于底部钼片（1）上，所述PCB（3）位于功率半导体芯片（2）的上方并通过定位与底部钼片（1）连接，所述上部钼片（4）通过PCB（3）定位固定。

11.根据权利要求10所述的压接式IGBT模块，其特征在于：所述功率半导体芯片（2）包括IGBT芯片（22）和FRD芯片（21），所述IGBT芯片（22）背面的IGBT芯片集电极（223）与FRD芯片（21）背面的阴极（212）通过烧结固定在底部钼片（1）上，所述IGBT芯片（22）和FRD芯片（21）的设置为关于底部钼片（1）的中心对称，并将IGBT芯片（22）设置为两两栅极相邻，或者设置为每三个IGBT芯片栅极（221）相邻。

12.根据权利要求10所述的压接式IGBT模块，其特征在于：所述底部钼片（1）上通过烧结固定有多个金属片（5），所述金属片（5）用以形成固定PCB（3）的定位部。

13.根据权利要求12所述的压接式IGBT模块，其特征在于：所述金属片（5）的厚度大于所述功率半导体芯片（2）的厚度，所述金属片（5）的厚度小于功率半导体芯片（2）与PCB（3）的厚度之和。

14.根据权利要求10所述的压接式IGBT模块，其特征在于：所述PCB（3）的下表面设置用来定位和连接的定位口（34）。

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