CN113707643A - 一种高集成高可靠igbt功率模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高集成高可靠IGBT功率模块及其制造方法,包括:金属底板、金属底板固定孔、多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片、模块引脚、键合丝、4个IGBT芯片、4个二极管芯片,组成H桥电路结构;综合采用了金属底板、多层陶瓷基片、裸芯片装结键合、金属固接等工艺技术,将多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片贴装焊接在金属底板上,将4个IGBT芯片、4个二极管芯片按设计布局贴装焊接相应基片上。解决了现有IGBT模块耐高压性能差、组装密度低、散热措施复杂、可靠性低的问题。广泛应用于半导体功率电力器件的封装工艺中。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率模块技术领域,具体来说,涉及一种高集成高可靠IGBT功率模块结构及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)是目前最主流、最核心的功率半导体器件,是一种结合了金属-氧化物-半导体场效应晶体管(又名绝缘栅型场效应管,简称MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,综合了绝缘栅型场效应管及双极结型晶体管的优点,是目前最优秀的功率半导体电力电子器件。由于IGBT的饱和导通压降低、载流密度大、驱动功率很小、开关速度快,广泛应用于电力***、铁路***、交通控制、变频器、功率变换、工业电机、UPS不间断电源、风电与太阳能设备、汽车电子等领域,以及用于自动控制的。特别600V及以上的IGBT,可大大提升电力电子装置和***的性能和可靠性。随着各种装备***的快速发展,行业及市场上迫切需要1000V以上,特别是1200V的IGBT模块。然而,由于受现有技术中工艺、芯片结构、封装结构的限制,IGBT模块的制造主要是采用分离器件的PCB板上进行组装,导致耐高压性能差、组装密度低、互联线长、热传道路径长、热阻大、散热措施复杂、产品体积庞大、可靠性低等问题,生产重复性、一致性差,质量波动大,远远不能满足技术发展和市场需求的要求。
为此,特提出本发明。
发明内容
本发明旨在解决现有IGBT模块耐高压性能差、组装密度低、散热措施复杂、可靠性低等问题。
本发明IGBT模块的电原理图如图1所示,本模块拥有4个相同的IGBT芯片Q1、Q2、Q3、Q4,且每个IGBT芯片上在E极到C极都分别并联了一个相同的快速恢复二极管D1、D2、D3、D4。该电路的工作原理是:1、3、9、11端为IGBT的栅极,栅极为IGBT的控制端,通过1、3、9、11端加电压,使得对应的IGBT芯片开启,正常运行。该模块中Q1、Q3为一组,Q2、Q4为一组。通过对应的栅极控制,Q1、Q3同时开启,13、21为输入端口,Q1的电流从端口19输出,Q3的电流从端口15输出。同理,Q2、Q4工作时端口19和端口15成为输入端,电流从端口14、20输出。端口2、4、10、12为检测端口,提供每个模块的检测信号。每一个IGBT并联的反向快速恢复二极管作用为防止对应的IGBT芯片作为感性负载关断时,产生的反向电流将IGBT芯片击穿。该模块实际上实现了一个H桥的电路,续流二极管(简称FRD或FWD)为快速恢复二极管。Q1、Q2、D1、D2组成左半桥电路,Q3、Q4、D3、D4组成右半桥电路,在工作时依需求开启。
本发明提供一种H桥式IGBT模块,结构示意图如图2所示。
包括:金属底板1,金属底板固定孔2,多层布线陶瓷左半桥基片3,多层布线陶瓷转接基片4,多层布线陶瓷右半桥基片5,模块引脚6,键合丝7,Q1芯片8,D1芯片9,D2芯片10,Q2芯片11,Q3芯片12,D3芯片13,D4芯片14,Q4芯片15。
所述Q1芯片、Q2芯片、Q3芯片、Q4芯片为IGBT芯片;所述IGBT芯片为耐压1200V芯片。
所述D1芯片、D2芯片、D3芯片、D4芯片为二极管芯片;所述二极管芯片为快速恢复二极管芯片。
金属底板1具有金属底板固定孔2。
将多层布线陶瓷左半桥基片3、多层布线陶瓷转接基片4、多层布线陶瓷右半桥基片5贴装焊接在金属底板1上,多层布线陶瓷转接基片4位于多层布线陶瓷左半桥基片3与多层布线陶瓷右半桥基片5之间。
将Q1芯片8、D1芯片9、D2芯片10、Q2芯片11按设计布局贴装焊接多层布线陶瓷左半桥基片3上,将Q3芯片8、D3芯片9、D4芯片10、Q4芯片11按设计布局贴装焊接多层布线陶瓷右半桥基片4上。
按连接设计采用键合丝7进行相应连接点之间的连线键合。
相应连接点之间连线键合的键合丝根数由流过的电流大小决定,至少为1根键合丝。
金属底板固定孔2为若干个,至少左右各1个,用于通过金属浆料焊接或铆钉将金属底板1与模块外壳进行组装固定。
本发明提供一种H桥式IGBT模块的制造方法,包含以下步骤:
(1)按常规工艺技术制备金属底板1,金属底板固定孔2,多层布线陶瓷左半桥基片3,多层布线陶瓷转接基片4,多层布线陶瓷右半桥基片5;
(2)采用厚膜丝网印刷工艺在金属底板1上印刷多层布线陶瓷左半桥基片3、多层布线陶瓷转接基片4、多层布线陶瓷右半桥基片5的焊接区;
(3)采用薄膜镀膜工艺或厚膜丝网印刷工艺分别在多层布线陶瓷左半桥基片3、多层布线陶瓷右半桥基片5上制作芯片焊接区;
(4)将Q1芯片8、D1芯片9、D2芯片10、Q2芯片11、Q3芯片12、D3芯片13、D4芯片14、Q4芯片15分别装贴在相应的基片焊接区上;
(5)将层布线陶瓷左半桥基片3、多层布线陶瓷转接基片4、多层布线陶瓷右半桥基片5分别装贴在金属底板1相应的焊接区上;第(5)与第(4)步的顺序可以依据焊接温度的高低进行互换,先高温工序再低温工序,以便工艺兼容;
(6)按连线设计要求采用键合丝进行引线键合;
(7)按外壳封装工艺进行壳体封装。
技术效果:
本发明所述的IGBT模块由于整合采用了金属底板、多层陶瓷基片、裸芯片装结键合、金属固接等工艺技术,从而具有1200V以上耐高压性能、组装密度高、互联线短、热传道路径短、热阻低、不附加内部散热措施、产品体积微型化、可靠性高等特点,生产重复性、工艺一致性、质量一致性好,能充分满足技术发展和市场需求的要求。
本发明技术方案广泛应用于半导体功率电力器件的封装工艺中。
附图说明
图1为IGBT模块电原理结构示意图
图2为IGBT模块组装结构示意图
图1中数字序号为电路接线端口编号,不属于零部件编号。
图2中:1为金属底板,2为金属底板固定孔,3为多层布线陶瓷左半桥基片,4为多层布线陶瓷转接基片,5为多层布线陶瓷右半桥基片,6为模块引脚,7为键合丝,8为Q1芯片,9为D1芯片,10为D2芯片,11为Q2芯片,12为Q3芯片,13为D3芯片,14为D4芯片,15为Q4芯片。
具体实施方式
如图2所示,具体实施方式如下:
所述键合丝为500微米直径的硅铝丝。
所述键合丝的键合根数栅极1根,集电极及发射极4-10根。
所述金属底板为长方形,金属底板的四个角开有金属底板固定孔,通过铆钉将金属底板与模块外壳固定到一起。
所述的模块外壳为PBT工程塑料,该塑料具有耐高温性,且质量小。
所述的丝网为金属丝网。
所述基片焊接或芯片焊接为回流焊接或合金焊接。
具体制作工艺为:
(1)丝网印刷,将锡膏按设定图形印刷于多层陶瓷基片表面,为贴片做好前期准备,所述丝网为铁丝网;
(2)贴片,将四组IGBT和FRD芯片贴在设定的多层陶瓷基片贴装位置;
(3)回流焊接,分为二次烧焊,第一次将多层陶瓷基片和IGBT/FRD芯片烧结在一起,接着将多层陶瓷基片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;
(4)烧结清洗,采用助焊剂清洗液(乙二醇醚溶液)超声清洗10min(表面泛黄或锡珠溅射严重时可适当加时);
(5)引线键合,为超声波键合,以超声波将键合线与键合在生意人键合区域上;
(6)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;
(7)铆钉压入,铆钉压入模块四角,防止体内灌胶时胶体流出;
(8)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。
最后应说明的是:上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,本发明包括但不限于以上实施例,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡符合本发明要求的实施方案均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,包括:金属底板、金属底板固定孔、多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片、模块引脚、键合丝、Q1芯片、D1芯片、D2芯片、Q2芯片、Q3芯片、D3芯片、D4芯片、Q4芯片;
所述Q1芯片、Q2芯片、Q3芯片、Q4芯片为IGBT芯片;
所述D1芯片、D2芯片、D3芯片、D4芯片为二极管芯片;
所述金属底板具有金属底板固定孔;
将所述多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片贴装焊接在金属底板上,多层布线陶瓷转接基片位于多层布线陶瓷左半桥基片与多层布线陶瓷右半桥基片之间;
将所述Q1芯片、D1芯片、D2芯片、Q2芯片按设计布局贴装焊接多层布线陶瓷左半桥基片上,将所述Q3芯片、D3芯片、D4芯片、Q4芯片按设计布局贴装焊接多层布线陶瓷右半桥基片上;
按连接设计采用键合丝进行相应连接点之间的连线键合;
相应连接点之间连线键合的键合丝根数由流过的电流大小设定,至少为1根键合丝;
金属底板固定孔为若干个,至少左右各1个。
2.根据权利要求1所述的高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,所述IGBT芯片为耐压1200V芯片。
3.根据权利要求1所述的高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,所述二极管芯片为快速恢复二极管芯片。
4.根据权利要求1所述的高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,所述键合丝为500微米直径的硅铝丝。
5.根据权利要求1所述的高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,所述键合丝的键合根数为栅极1根、集电极及发射极4-10根。
6.根据权利要求1所述的高集成高可靠IGBT功率模块,其特征在于,所述金属底板为长方形,金属底板的四个角开有金属底板固定孔。
7.根据权利要求1所述的一种高集成高可靠IGBT功率模块的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按常规工艺技术制备金属底板,金属底板固定孔,多层布线陶瓷左半桥基片,多层布线陶瓷转接基片,多层布线陶瓷右半桥基片;
(2)采用厚膜丝网印刷工艺在金属底板上印刷多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片的焊接区;
(3)采用薄膜镀膜工艺或厚膜丝网印刷工艺分别在多层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷右半桥基片上制作芯片焊接区;
(4)将Q1芯片、D1芯片、D2芯片、Q2芯片、Q3芯片、D3芯片、D4芯片、Q4芯片分别装贴在相应的基片焊接区上;
(5)将层布线陶瓷左半桥基片、多层布线陶瓷转接基片、多层布线陶瓷右半桥基片分别装贴在金属底板相应的焊接区上;第(5)与第(4)步的顺序可以依据焊接温度的高低进行互换,先高温工序再低温工序,以便工艺兼容;
(6)按连线设计要求采用键合丝进行引线键合;
(7)按外壳封装工艺进行壳体封装。
8.根据权利要求7所述的一种高集成高可靠IGBT功率模块的制造方法,其特征在于,所述基片焊接或芯片焊接为回流焊接或合金焊接。
9.根据权利要求7所述的一种高集成高可靠IGBT功率模块的制造方法,其特征在于,包括如下具体步骤:
(1)丝网印刷:将锡膏按设定图形印刷于多层陶瓷基片表面,为贴片做好前期准备,所述丝网为铁丝网;
(2)贴片:将四组IGBT和FRD芯片贴在设定的多层陶瓷基片贴装位置;
(3)回流焊接:分为二次烧焊,第一次将多层陶瓷基片和IGBT/FRD芯片烧结在一起,接着将多层陶瓷基片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;
(4)烧结清洗:采用助焊剂清洗液超声清洗10min;
(5)引线键合:为超声波键合,以超声波将键合线与键合在生意人键合区域上;
(6)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;
(7)铆钉压入:铆钉压入模块四角,防止体内灌胶时胶体流出;
(8)壳体灌胶与固化:所述灌胶是采用AB类硅凝胶按比例在1:4-4:1之间进行混合而成。
10.根据权利要求9所述的一种高集成高可靠IGBT功率模块的制造方法,其特征在于,所述壳体为PBT工程塑料,所述助焊剂清洗液为乙二醇醚溶液。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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