CN105789293A - 一种单芯片双向igbt模块的封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，其包括依次设置的底部金属板、底部DBC板、单芯片双向IGBT器件、顶部DBC板以及顶部金属板；底部DBC板包括第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区；单芯片双向IGBT器件的第二门极和第二发射极分别与第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区连接；顶部DBC板包括第一门极覆铜区和第一发射极覆铜区。将单芯片双向IGBT器件上、下表面的电极分别焊接在两块DBC板上，利用焊接互连代替了金属键合线互连，解决了金属键合线及其焊接界面热机械疲劳失效的问题，提高了模块的耐电流冲击能力和可靠性；同时，与金属键合线互连相比，焊接互连缩短了外部引脚与电极互连的距离，减小了模块的寄生参数。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种单芯片双向IGBT模块的封装结构。
背景技术
目前，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种结合了金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管优点的电力电子器件，IGBT以其优异的性能得到了广泛的应用，极大地提升了电力电子装置和***的性能。传统的交流-直流-交流变换器(AC-DC-AC变换器)，需要大容量的电容器来维持中间直流环节(DC环节)的稳定运行，使得变换器的体积、重量都较大。此外，与功率器件相比，电容器的使用寿命明显不足，从而影响了变换器的可靠性和使用寿命。交流-交流变换器(AC-AC变换器)省去了中间直流环节，同时对功率器件提出了新的要求——双向可控开关。
传统逆阻型IGBT能够双向阻断电压，但只能单向导通电流，如图1所示，由两只反并联的分立式逆阻型IGBT构成的双向可控开关才能满足要求；而该双向可控开关存在着体积、重量大等不足，在一定程度上制约了AC-AC变换器的性能。其中，G为门极，E为发射极，C为集电极。
单芯片双向IGBT器件的问世解决了这一问题，其中，图2为单芯片双向IGBT模块的原理图，通过控制单芯片双向IGBT器件的两个门极与对应的两个发射极之间的电压，可实现电流双向导通与电压双向阻断。
其中，图3-5分别为传统分立式逆阻型IGBT器件的右侧视、俯视与仰视示意图。如图6-8所示，单芯片双向IGBT器件的上表面设置有第一门极G1和第一发射极E1，与之对应，上表面分别第一门极区和第一发射极区；单芯片双向IGBT器件的下表面设置有第二门极G2和第二发射极E2，与之对应，下表面分别第二门极区和第二发射极区。
目前对单芯片双向IGBT器件的研究工作主要集中在器件的结构优化和制备工艺上，但针对器件特点，结合电力电子装置的应用要求，对其封装技术的研究工作报道较少。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，实现单芯片双向IGBT模块的双面散热，提高模块的功率密度；取消用于互连的金属键合线，减小模块的寄生参数；解决金属键合线及其焊接界面热机械疲劳失效的问题，提高模块的耐电流冲击能力和可靠性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，其包括自下而上依次设置的底部金属板、底部DBC板(直接键合铜板，即DirectBondingCopper板、DBC板)、单芯片双向IGBT器件、顶部DBC板以及顶部金属板；底部DBC板顶面上设置有第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区；单芯片双向IGBT器件的第二门极和第二发射极分别与第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区连接；顶部DBC板底面上设置有第一门极覆铜区和第一发射极覆铜区；单芯片双向IGBT器件的第一门极和第一发射极分别与第一门极覆铜区和第一发射极覆铜区连接；单芯片双向IGBT器件的第一门极外部引脚、第一发射极外部引脚、第二门极外部引脚和第二发射极外部引脚分别与第一门极覆铜区、第一发射极覆铜区、第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区连接。
进一步，所述门极覆铜区和发射极覆铜区分别完全覆盖并紧贴所述单芯片双向IGBT器件的门极区和发射极区设置。
进一步，所述顶部DBC板紧贴设置在所述顶部金属板上；所述底部DBC板紧贴设置在所述底部金属板上。
进一步，所述单芯片双向IGBT模块的封装结构包括若干个所述单芯片双向IGBT器件，若干个单芯片双向IGBT器件通过所述第一门极覆铜区、第一发射极覆铜区、第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区并联设置。
进一步，所述底部金属板和顶部金属板之间设置有衬垫，该衬垫优选采用绝缘衬垫。绝缘衬垫起到支撑两块金属板的作用，避免模块安装时受到的压力引起金属板和DBC板过度形变，进而导致焊接在DBC板上的器件受损；底部金属板、顶部金属板和绝缘衬垫均设置有安装通孔，三者的安装通孔垂直对准，便于单芯片双向IGBT模块的固定和导热装置的安装。顶部金属板和底部金属板具有足够的厚度和机械强度，满足顶部金属板上表面和底部金属板下表面作为模块机械安装面的需求，同时两个机械安装面又作为模块的导热界面。
进一步，所述底部金属板、底部DBC板、顶部金属板以及顶部DBC板上设置有引脚开口，所述外部引脚自引脚开口伸出。
进一步，所述底部金属板与顶部金属板之间、且沿底部DBC板、单芯片双向IGBT器件和顶部DBC板的周向设置有密封绝缘外壳；底部金属板的下表面与顶部金属板的上表面外露。
进一步，所述第一发射极外部引脚包括第一发射极主电路引脚和第一发射极驱动电路引脚；所述第二发射极外部引脚包括第二发射极主电路引脚和第二发射极驱动电路引脚。
密封绝缘外壳使得顶部金属板、底部金属板以及外部引脚构成一个整体，将DBC板和单芯片双向IGBT器件密封在内部，起到保护器件和电气绝缘的作用。
(三)有益效果
与由若干对反并联的逆阻型IGBT构成的双向可控开关模块的封装结构相比，本发明所具有的有益的技术效果是：
(1)将单芯片双向IGBT器件上、下表面的电极分别焊接在两块DBC板上，利用焊接互连代替了金属键合线互连，解决了金属键合线及其焊接界面热机械疲劳失效的问题，提高了模块的耐电流冲击能力和可靠性；同时，与金属键合线互连相比，焊接互连缩短了外部引脚与电极互连的距离，减小了模块的寄生参数。
(2)将单芯片双向IGBT器件上、下表面的电极分别焊接在两块DBC板上，形成“顶部DBC板-单芯片双向IGBT器件-底部DBC板”三明治结构。在顶部DBC板的上表面和底部DBC板的下表面，分别焊接顶部金属板和底部金属板，作为模块的机械安装面和导热界面。在顶部金属板的上表面和底部金属板的下表面均匀涂覆导热硅脂，并安装匹配的散热装置，单芯片双向IGBT器件产生的热量通过顶部金属板和底部金属板传导，实现模块的双面散热，和由若干对反并联的逆阻型IGBT构成的双向可控开关模块相比，单芯片双向IGBT模块具有更好的导热性能和更高的功率密度。
同时，底部和顶部金属板使模块具备了双面散热能力，提升了导热性能和功率密度。本发明非常适用于高性能电力电子装置与***，如矩阵式变换器，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是由逆阻型IGBT器件构成的双向可控开关模块的原理图；
图2是单芯片双向IGBT模块的原理图；
图3是传统逆阻型IGBT器件的右侧视图；
图4是传统逆阻型IGBT器件的俯视图；
图5是传统逆阻型IGBT器件的仰视图；
图6是单芯片双向IGBT器件的右侧视图；
图7是单芯片双向IGBT器件的俯视图；
图8是单芯片双向IGBT器件的仰视图；
图9为本发明实施例的单芯片双向IGBT模块的封装结构的分解示意图；
图10为本发明实施例的单个器件焊接的局部放大图；
图11为本发明实施例的单芯片双向IGBT模块封装完成后外形的三维示意图；
其中，G：门极；E：发射极：C：集电极；G1：第一门极；G2：第二门极；E1：第一发射极：E2：第二发射极；JG1：第一门极引脚；JE1：第一发射极引脚；JG2：第二门极引脚；JE2：第二发射极引脚；1：单芯片双向IGBT器件；2：底部金属板；3：底部直接键合铜板；3a：第二发射极覆铜区；3b：第二门极覆铜区；4：顶部直接键合铜板；4a：第一发射极覆铜区；4b：第一门极覆铜区；5：顶部金属板；6：绝缘衬垫；7：引脚开口；8：绝缘外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图9-11所示，本实施例提供的一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，其包括自下而上依次设置的底部金属板2、底部DBC板3、若干个单芯片双向IGBT器件1、顶部DBC板4以及顶部金属板5；底部DBC板3包括第二门极覆铜区3b和第二发射极覆铜区3a；单芯片双向IGBT器件1的第二门极和第二发射极分别与第二门极覆铜区3b和第二发射极覆铜区3a连接；顶部DBC板4包括第一门极覆铜区4b和第一发射极覆铜区4a；单芯片双向IGBT器件1的第一门极G1和第一发射极E1分别与第一门极覆铜区4b和第一发射极覆铜区4a焊接连接；底部金属板2与顶部金属板5之间设置有绝缘衬垫6，通过绝缘衬垫6，底部金属板和顶部金属板绝缘连接。绝缘衬垫6起到支撑两块金属板的作用，避免模块安装时受到的压力引起金属板和DBC板过度形变，进而导致焊接在DBC板上的器件受损；底部金属板、顶部金属板和绝缘衬垫均设置有安装通孔，三者的安装通孔垂直对准，便于单芯片双向IGBT模块的固定和导热装置的安装。门极覆铜区和发射极覆铜区分别完全覆盖并紧贴所述单芯片双向IGBT器件的门极区和发射极区设置,而顶部DBC板4紧贴设置在顶部金属板5上；底部DBC板3紧贴设置在底部金属板2上，便于器件依次向外传递热量。
顶部金属板5和底部金属板2具有足够的厚度和机械强度，满足顶部金属板上表面和底部金属板下表面作为模块机械安装面的需求，同时两个机械安装面又作为模块的导热界面。
单芯片双向IGBT器件1的第一门极外部引脚JG1、第一发射极外部引脚JE1、第二门极外部引脚JG2和第二发射极外部引脚JE2分别焊接在第一门极覆铜区4b、第一发射极覆铜区4a、第二门极覆铜区3b和第二发射极覆铜区3a上。发射极外部引脚又分为主电路引脚和驱动电路引脚。即，第一发射极外部引脚JE1包括第一发射极主电路引脚JE10和第一发射极驱动电路引脚JE11；第二发射极外部引脚JE2分别包括第二发射极主电路引脚JE20和第二发射极驱动电路引脚JE21。
其中，若干个单芯片双向IGBT器件1通过第一门极覆铜区、第一发射极覆铜区、第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区并联设置。
底部金属板2、底部DBC板3、顶部金属板5以及顶部DBC板4上设置有引脚开口7，各门极和发射极外部引脚自引脚开口7伸出。
底部金属板2与顶部金属板5之间、且沿底部DBC板3、单芯片双向IGBT器件1和顶部DBC板4的周向设置有密封绝缘外壳8；底部金属板2的下表面与顶部金属板5的上表面外露。
密封绝缘外壳8使得顶部金属板、底部金属板以及外部引脚构成一个整体，将键合铜板和单芯片双向IGBT器件密封在内部，起到保护器件和电气绝缘的作用。
本发明封装的双向IGBT模块可以广泛应用于矩阵式变换器，其中，矩阵式变换器是一种新型的交流－交流电源变换器，具有不需要直流储能环节、可四象限运行等显著优点，是电力电子技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。矩阵式变换器对功率器件提出了新的要求——双向可控开关。两只反并联的传统逆阻型IGBT器件或是一只单芯片双向IGBT器件均可满足此要求。
例如：对于一台三相-三相矩阵式变换器，该装置需选用额定参数为1200V/25A的IGBT器件。采用传统逆阻型IGBT器件制作变换器需要18只对应额定参数的器件；得益于单芯片双向IGBT器件的双向可控特性，采用该器件制作变换器仅需要9只对应额定参数的器件。对单芯片双向IGBT器件的数量需求仅为传统逆阻型IGBT器件的一半。
依照采用18只传统逆阻型IGBT器件制作三相-三相矩阵式变换器模块的方式，采用本发明提供的单芯片双向IGBT模块的封装结构，将所需的9只单芯片双向IGBT器件封装在一个模块中，构成三相-三相矩阵式变换器模块。对比两种模块：单芯片双向IGBT器件的自身特点决定了模块对器件数量的需求更少，封装好的模块的体积也更小；同时，本发明提供的封装结构具有双面散热能力，从而进一步拓展了模块的导热性能，提升了模块的功率密度。由此不难看出，采用本发明提供的封装结构和单芯片双向IGBT器件制作出的矩阵式变换器模块与传统的矩阵式变换器模块相比，功率密度的优势明显。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (8)
1.一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，其包括自下而上依次设置的底部金属板、底部直接键合铜板、单芯片双向IGBT器件、顶部直接键合铜板以及顶部金属板；底部直接键合铜板顶面上设置有第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区；单芯片双向IGBT器件的第二门极和第二发射极分别与第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区连接；顶部直接键合铜板底面上设置有第一门极覆铜区和第一发射极覆铜区；单芯片双向IGBT器件的第一门极和第一发射极分别与第一门极覆铜区和第一发射极覆铜区连接；单芯片双向IGBT器件的第一门极外部引脚、第一发射极外部引脚、第二门极外部引脚和第二发射极外部引脚分别与第一门极覆铜区、第一发射极覆铜区、第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区连接。
2.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述门极覆铜区和发射极覆铜区分别完全覆盖并紧贴所述单芯片双向IGBT器件的门极区和发射极区设置。
3.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述顶部直接键合铜板紧贴设置在所述顶部金属板上；所述底部直接键合铜板紧贴设置在所述底部金属板上。
4.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述单芯片双向IGBT模块的封装结构包括若干个所述单芯片双向IGBT器件，若干个单芯片双向IGBT器件通过所述第一门极覆铜区、第一发射极覆铜区、第二门极覆铜区和第二发射极覆铜区并联设置。
5.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述底部金属板和顶部金属板之间设置有用于支撑的衬垫。
6.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述底部金属板、底部直接键合铜板、顶部金属板以及顶部直接键合铜板上设置有引脚开口，所述外部引脚自引脚开口伸出。
7.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述底部金属板与顶部金属板之间、且沿底部直接键合铜板、单芯片双向IGBT器件和顶部直接键合铜板的周向设置有密封绝缘外壳；底部金属板的下表面与顶部金属板的上表面外露。
8.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于，所述第一发射极外部引脚包括第一发射极主电路引脚和第一发射极驱动电路引脚；所述第二发射极外部引脚包括第二发射极主电路引脚和第二发射极驱动电路引脚。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |