一种小型超薄IGBT模块封装结构、组装方法及功能电路与流程

一种小型超薄igbt模块封装结构、组装方法及功能电路
技术领域
1.本发明属于功率半导体器件封装领域，尤其是涉及一种小型超薄igbt模块封装结构、组装方法及功能电路。


背景技术：

2.igbt（insulated gate bipolar transistor绝缘栅双极型晶体管）作为电能变换和控制的核心器件广泛应用于消费类电器、工业控制、新能源发电、智能电网、机车牵引和电动汽车的交通运输领域，其应用范围涵盖了从几十瓦到几十兆瓦的电力电子应用并随着技术的发展仍在不断扩大，对器件的性能、可靠性、小型化、高度集成化、灵活性和低成本提出了更高的要求。实际应用中需要将若干个igbt芯片和配套的辅助元件按照典型功率电子电路拓扑结构集成封装在一起形成各种功率模块以满足不同的应用需求。功率模块的封装至关重要，起着机械支持和保护、电气连接、热耦合和功率分配、绝缘和散热等作用。相关数据显示，功率模块的成本结构中封装成本约占40%，而器件失效至少有25%是由封装引起。
3.目前igbt封装包括：1.含有铜基板的典型igbt模块封装结构，如图1所示，包括金属基板12、陶瓷衬板13、侧框14、母排电极15及管盖16等，陶瓷衬板13上布设有元器件17分布；其散热结构及热阻网络如图2所示。结合图1、2所示，该封装结构侧框安装工艺复杂、体积大、热阻大、成本高及安装使用复杂等问题。
4.2.无基板小型igbt模块，采用的网格分布式引脚通过焊接或压接方式连接pcb，一定程度上减小了体积（其高度可低至12mm），但是其工艺要求高、生产工序多、机械强度弱、dbc衬底承受应力大、可靠性降低、成本仍然偏高问题。
5.综上，目前典型igbt模块含铜基板机械强度好但是热阻大，现有小型无基板igbt模块热阻小但是引脚所受应力全部由dbc衬板承担机械强度弱可靠性不足；体积大，典型igbt模块尺寸约为152x62x21mm，小型无基板igbt模块尺寸约为62x35x12mm；现有技术结构复杂、工艺要求高、生产工序多，以致成本居高不下。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中所存在的技术问题，本发明在此的目的在于提供一种小型超薄igbt模块封装结构，该封装结构机械强度好，可靠性高。
7.为实现本发明的目的，本发明提供的小型超薄igbt模块封装结构包括：衬底，用于包括igbt的功能电路布设、绝缘和散热作用；以及外框，与所述衬底装配在一起用于安装固定、机械支撑和隔离保护作用，内嵌电极引脚，所述电极引脚两端分别延伸出所述外框，一端作为外部连接端用于与外部电路连接，另一端作为内部连接端用于与所述功能电路电连接；所述电极引脚经键合线与所述功能电路电连接，所述键合线与所述电极引脚之间直接连接。
8.在一些实施方式中，本发明提供的封装结构还包括起保护作用的盖板，所述衬底和所述外框构成的腔体内灌装用于绝缘、隔离水汽及灰尘的柔性封装胶，所述盖板直接与灌装的柔性封装胶粘合，且所述盖板与所述外框之间留有间隙使所述盖板可以随柔性封装胶的膨胀收缩而移动。
9.在一些实施方式中，所述衬底包括第一金属层、第二金属层和装配于所述第一金属层和所述第二金属层之间的绝缘层，所述第一金属层上蚀刻有电路布局以为构成所述功能电路的各元器件及所述电极引脚提供独立的焊接区域，实现所有焊接可一次完成。
10.在一些实施方式中，所述衬底上布设有用于电气连接和传导热量的焊锡层，用于所述电极引脚及构成所述功能电路的元器件焊接。电极引脚的热量通过焊锡层传导至衬底，现有的典型有基板igbt模块的引脚与基板和衬底都隔离开无法有效散热，如图1、2所示。
11.在一些实施方式中，构成所述功能电路的元器件之间经键合线连接。
12.在一些实施方式中，所述外框上设置有一体成型且用于提供与外部热沉的螺丝安装位置并施加预设的压力的弹性安装孔，可通过螺丝快速、可靠和低成本的安装。
13.本发明在此的第二个目的在于提供一种igbt功能电路，该电路包括igbt管q1、igbt管q2、igbt管q3、igbt管q4、igbt管q5、igbt管q6、采样电阻r shunt及用于检测温度的热敏电阻rth，所述igbt管q1~所述igbt管q6构成三相全桥电压源逆变电路，直流电压输入后通过控制所述igbt管q1～所述igbt管q6的开关状态转变成频率和幅值可变的三相交流电压，分别从输出端u、输出端v和输出端w输出，每路输出上分别串联有采样电阻r shunt，用于检测输出电流。
14.在一些实施方式中，所述igbt管q1～所述igbt管q6的集电极和发射极之间分别连接有续流二极管frd，所述续流二极管frd与igbt管反并联用于在igbt管关断后为感性负载提供续流回路。
15.本发明在此的第三个目的在于提供一种本发明提供的小型超薄igbt模块封装结构的组装方法，该方法包括：步骤一：对衬底进行蚀刻，形成电路布局以为构成功能电路的各元器件及电极引脚提供独立的焊接区域；步骤二：将电极引脚嵌入外框，并使所述电极引脚两端分别延伸出所述外框，一端作为外部连接端用于与外部电路连接，另一端作为内部连接端用于与所述功能电路电连接；步骤三：将所述外框与所述衬底进行装配，使所述电极引脚位于所述衬底上对应的焊接区域，并将构成所述功能电路的各元器件放置于所述衬底对应的焊接区域后进行焊接；步骤四：使用键合线依电路拓扑结构对各元器件、电极引脚进行键合连接，键合线与电极引脚的键合方式为键合线直接键合在电极引脚上表面；步骤五：灌装柔性封装胶；步骤六：装配盖板并固化柔性封装胶，即可。
16.在一些实施方式中，在盖板装配之前，先灌注柔性封装胶，形成隔离层，再直接将盖板与柔性封装胶粘合且所述盖板与所述外框之间留有间隙使所述盖板可以随柔性封装
胶的膨胀收缩而移动。
17.采用本发明技术方案，达到的技术效果至少包括：1）本发明提供的封装结构键合线与电极引脚的键合方式采用直接键合在引脚上表面，相比现有小型无基板igbt模块所采用键合线键合在电极引脚焊接的金属层上方式实现了引脚的电热分流并减小金属层的面积，电流直接通过电极引脚和键合线而不需流经焊锡层或金属层减少了焊锡层电阻发热环节并避免了因焊接层应力失效而导致模块整体失效。
18.2）本发明提供的封装结构电极引脚嵌入外框内确保了引脚的形状稳定性，由外框承受主要机械应力，减轻了衬底所承受应力提高了模块的可靠性并延长了寿命。
19.3）本发明封装结构内部灌上柔性封装胶（可以是硅凝胶）并盖上盖板，以达到电气绝缘并隔离水气和灰尘；盖板和外框无卡合固定结构直接与柔性封装胶粘合可有效缩小体积，因盖板和外框之间留有合适间隙盖板可以随柔性封装胶膨胀收缩无需预留空间极大减小封装胶与空气的接触面积，现有技术盖板与外框之间为卡合装配或固定装配，盖板和封装胶之间留有收缩空间使用中随温度变化封装胶膨胀收缩产生呼吸效应加大接触水气和灰尘机率。
20.4）所有焊接连接可一次性完成，与现有技术需要两次以上焊接工序相比，减少了工序，降低了工艺要求，且有效降低成本，尤其是现有小型无基板igbt模块网格式引脚布置焊接难度大工艺要求高。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1-图2为本发明记载的典型igbt模块封装结构、散热结构及热阻网络示意图；图3为本发明提供的小型超薄igbt模块封装结构示意图；图4为本发明提供的小型超薄igbt模块封装结构中引脚键合连接方式示意图；图5为本发明提供的igbt功能电路的电路原理图。
具体实施方式
22.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
23.请参照图3所示，本发明提供的小型超薄igbt模块封装结构包括：衬底，用于包括igbt的功能电路布设，包括第一金属层5、第二金属层6和装配于第一金属层5和第二金属层6之间的绝缘层4，第一金属层5上蚀刻有电路布局以为构成功能电路的各元器件及电极引脚提供独立的焊接区域；将构成功能的各元器件、电极引脚分别置于对应的焊接区域，配合焊锡实现所有焊接可一次完成，无需两次以上焊接工序；或者衬底直接可以采用dbc陶瓷覆铜板；
外框2，与衬底装配在一起，内嵌电极引脚3，电极引脚3两端分别延伸出外框2，一端作为外部连接端用于与外部电路连接，电极引脚伸出外框可与pcb通过焊接连接，完成电路搭建；另一端作为内部连接端用于与功能电路电连接，实现功能引出；盖板1，用于与衬底相对装配，形成封装结构。
24.如图4所示，电极引脚3经键合线9与功能电路电连接，键合线9直接焊接于电极引脚3上表面，实现与电极引脚3之间直接连接。
25.盖板1与外框2之间为卡合连接，使盖板1和外框2之间形成有用于柔性封装胶10灌注的空间，柔性封装胶10形成隔离层，实现电气绝缘并隔离水气和灰尘，此种结构也可以实现本方案的目的，但导致封装结构体积相对较大，为减小封装结构体积，本方案的另一结构是盖板1和衬底之间灌注有柔性封装胶10（可以是硅凝胶），盖板1直接与柔性封装胶粘合，且盖板1和外框2之间预留有间隙；因盖板1和外框2之间留有间隙，盖板1可以随柔性封装胶10膨胀收缩无需预留空间极大减小封装胶与空气的接触面积，有效地缩小了封装结构的体积。
26.为了便于装配，本公开中外框2上设置有一体成型（成本低）的弹性安装孔可通过螺丝快速、可靠和低成本的安装；且该弹性安装孔在衬底与外部热沉之间施加预设的压力以减小热阻（衬底与外部热沉之间需涂布热界面材料）。
27.本公开记载的功能电路可以是由igbt晶粒7构成的任何电路，如开关电路、桥式驱动电路，放大电路等。更为详尽的是，本公开记载的功能电路至少包括若干igbt晶粒7和与igbt晶粒7数量相匹配的续流二极管frd8；或者本公开记载的功能电路至少包括若干igbt晶粒7、与igbt晶粒7数量相匹配的续流二极管frd、热敏电阻和采样电阻。如图5所示为一种三相全桥电压源逆变器的拓扑电路原理图，可以将输入端（hv+和hv-）的直流电压通过控制igbt的开关状态转变成输出端（u、v和w）频率和幅值可变的三相交流电压，图中的热敏电阻rth用于检测模块温度，采样电阻r shunt用于检测输出电流，续流二极管frd与igbt晶粒反并联用于在igbt关断后为感性负载提供续流回路。
28.本公开的封装结构经以下方法组装：步骤一：对衬底进行蚀刻，形成电路布局以为构成功能电路的各元器件及电极引脚3提供独立的焊接区域，用于电极引脚3及构成功能电路的各元器件焊接；步骤二：将电极引脚3嵌入外框2，并使电极引脚3两端分别延伸出外框2；步骤三：将外框2与衬底进行装配，使电极引脚3位于衬底上对应的焊接区域，并将构成功能电路的各元器件依电路拓扑结构通过焊锡焊接在衬底上对应焊接区域，元器件和衬底之间以及电极引脚3和衬底之间分别形成焊锡层11，元器件、电极引脚3的热量通过焊锡层11传到至衬底；步骤四：使用键合线9依电路拓扑结构对各元器件、电极引脚3进行键合连接，键合线9与电极引脚3的键合方式采用如图4所示直接键合在电极引脚3上表面；步骤五：灌装柔性封装胶；步骤六：装配盖板1并固化柔性封装胶，即可。
29.在装配盖板1之前，先灌注柔性封装胶10，形成隔离层，再直接将盖板1与柔性封装胶10粘合，且使盖板1与外框2之间留有间隙使盖板可以随柔性封装胶10的膨胀收缩而移动。
30.本方案键合线9与电极引脚3的键合方式采用直接键合方式，实现了引脚的电热分流并减小金属层的面积，电流直接通过电极引脚3和键合线9而不需流经焊锡层11减少焊锡层电阻发热环节并避免了因焊接层应力失效而导致模块整体失效，电极引脚的热量通过焊锡层传导至衬底。
31.本方案，构成功能电路的各元件之间、构成功能电路的各元件与电极引脚的电气通路由衬底第一金属层、焊锡层和键合线共同组成，键合线完成元件及引脚的上表面连接。电极引脚嵌入外框时，还可以采用在外框成型时电极引脚直接置于外框成型模具内与外框一并嵌注成型，简化了组装方法，且外框和电极引脚之间的连接更牢固。
32.本发明提供的封装结构体积小（可将体积缩小至50x30x8mm），超薄，无基板，引脚嵌入外框并与键合线直接键合，热阻小，机械稳定，散热好，机械强度好；盖板与外框间隙配合，盖板与柔性封装胶紧密结合更好的隔离性能，整体结构简单结构简单工序少，成本低，可靠性高。
33.本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。