专利名称：一种免引线键合igbt模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率半导体模块，特别是一种基于绝缘栅双极晶体管(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。对于焊接式IGBT模块而言，芯片正面互连普遍采用引线6’(粗铝线)键合的方式，如图1所示。利用引线6’将功率半导体芯片正面电极引出至衬板正面图形化金属化面 31’上，从而实现功率半导体芯片的互连，再通过集电极端子7’，发射极端子8，和栅极端子 9’引出至模块外部。因此，焊接式IGBT模块内部有很多引线键合点，即使随着模块封装技术的持续进步和引线键合参数的不断优化，键合点的可靠性不断得到提高，但模块内部有1000多个引线键合点，键合点仍然是可靠性的一个薄弱环节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种免引线键合IGBT模块，采用免引线电极引出板对IGBT模块内部各功率半导体芯片的电极直接进行互连并引出至模块外部，免除引线键合；同时，将多个外部电极端子集成到一个免引线电极引出板中。降低寄生电感，提高可靠性；实现双面散热，降低热阻；简化封装工艺，降低模块成本。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是免引线键合IGBT模块包括基板、焊接在基板上的衬板、焊接在衬板上的功率半导体芯片和集电极端子，还包括免引线电极引出板；所述衬板的上下表面均为单一金属化面；所述免引线电极引出板为复合母排或多层印制电路板，设置在功率半导体芯片上面；所述功率半导体芯片包括IGBT芯片和FRD 芯片，IGBT芯片背面的集电极及FRD芯片背面的阴极通过衬板正面的单一金属化面实现互连；所述集电极端子焊接在衬板正面的单一金属化面上，将IGBT芯片背面的集电极及FRD 芯片背面的阴极互连并引出至模块外部。作为优选方案之一，本发明的免引线键合IGBT模块，所述免引线电极引出板集成了栅极端子和发射极端子，将IGBT芯片正面的栅极互连并引出至模块外部，同时将IGBT芯片正面的发射极和FRD芯片正面的阳极互连并引出至模块外部；此外，还包括集电极端子。 集电极端子通过锡银焊层焊接到衬板正面的单一金属化面上，将IGBT芯片背面的集电极与FRD芯片背面的阴极互连并弓I出至模块外部。作为优选方案之二，所述免引线电极引出板集成了栅极端子、发射极端子和集电极端子，将IGBT芯片正面的栅极互连并引出模块外部，将IGBT芯片正面的发射极和FRD芯片正面的阳极互连并引出模块外部，还将IGBT芯片背面的集电极和FRD芯片背面的阴极互连并引出至模块外部。
所述免引线电极引出板尺寸线路连接上需要调整为与IGBT适应，同时，免引线电极引出板与功率半导体芯片正面电极或衬板正面的单一金属化面的连接介质为银。本发明提供的免引线键合IGBT模块，内部采用免引线电极引出板对功率半导体芯片的电极直接进行互连并引出至模块外部，不再需要将功率半导体芯片正面的电极通过引线先引出到衬板上再进行互连，模块结构更简单，所需的封装材料和零部件更少；同时， 使得模块封装免除了引线键合工艺，封装工艺更简单，快捷，并可大大提高模块可靠性；此外，该发明的散热模式与现有焊接式IGBT模块的单面散热不同，为双面散热，从而减小模块的热阻，增加了模块的功率密度；最后，还可减小模块内部的寄生参数(电阻和电感)。
图1为现有焊接式IGBT模块结构示意图；图2为本发明实施例1的结构示意图；图3为本发明实施例2的结构示意图。其中1，基板；2’ 锡银焊层；3’ 衬板，31，衬板正面图形金属化面；32，衬板背面单一金属化面；4，=FRD芯片；41，=FRD芯片阳极；42，=FRD芯片阴极；5，=IGBT芯片；51，=IGBT 芯片栅极；52，=IGBT芯片发射极；53，=IGBT芯片集电极；6，引线；7，集电极端子；8，发射极端子；9’ 栅极端子；2 银；31 衬板正面单一金属化面；6 免引线电极引出板；61 第二发射极；62 第二栅极；63 第二集电极。
具体实施例方式实施例1如图2所示，为本发明实施例1的免引线键合IGBT模块的结构示意图。免引线键合IGBT模块包括基板1，、焊接在基板上的衬板3’、焊接在衬板上的功率半导体芯片(包括 IGBT芯片5’和FRD芯片4’ )和集电极端子7’以及设置在功率半导体芯片上的免引线电极引出板6。免引线电极引出板6与功率半导体芯片正面电极的连接介质为银2。衬板3’ 的上下表面均为单一金属化面31及32’ ;IGBT芯片5’背面的集电极53’及FRD芯片4’背面的阴极42’通过衬板正面的单一金属化面31实现互连；集电极端子V焊接在衬板3’正面的单一金属化面31上，将IGBT芯片5，背面的集电极53，及FRD芯片4，背面的阴极42， 互连并引出至模块外部；免引线电极引出板6集成了栅极端子9’和发射极端子8’ JfIGBT 芯片5’正面的栅极51’通过第二栅极62互连并引出至模块外部，同时将IGBT芯片5’正面的发射极52’和FRD芯片4’正面的阳极41’通过第二发射极61互连并引出至模块外部。 从而不再需要将芯片正面电极通过引线进行互连，实现免引线键合。免引线电极引出板结合了模块的栅极端子和发射极端子，减小了模块体积，减小了寄生电感；并且只需一次键合焊接便可完成所有芯片正面电极的连接，提高了工艺效率；同时，在免引线电极引出板和芯片正面电极之间形成的银键合层可以大大提高模块的可靠性；最后，模块工作时所产生的热量可以通过免引线电极引出板传导出去，免引线电极引出板既能通电流，也能散热，与现有焊接式模块正面通电流，背面散热相比，其散热能力更高，模块热阻更小，性能更好。实施例2
如图3所示，为本发明实施例2的IGBT模块结构示意图。整个IGBT模块包括包括基板1’、焊接在基板上的衬板3’、焊接在衬板上的功率半导体芯片(包括IGBT芯片5’ 和FRD芯片4’ )和免引线电极引出板6。与图2相比，变化在于免引线电极引出板不仅集成了栅极端子9’和发射极端子8’，还集成了集电极端子7’。免引线电极引出板6与功率半导体芯片正面电极及衬板3’正面单一金属化面31的连接介质为银2。功率半导体芯片的所有电极均通过免引线电极引出板6进行互连并引出至模块外部，具体地，IGBT芯片5’ 正面的栅极51’通过免引线电极引出板6的第二栅极62互连并引出至模块外部；IGBT芯片5’正面的发射极52’和FRD芯片4’正面的阳极41’通过免引线电极引出板6的第二发射极61互连并引出至模块外部；IGBT芯片5’背面的集电极53’和FRD芯片4’背面的阴极42’通过免引线电极引出板6的第二集电极63互连并引出至模块外部。
权利要求
1.一种免引线键合IGBT模块，包括基板、焊接在基板上的衬板、焊接在衬板上的功率半导体芯片和集电极端子，其特征在于，还包括免引线电极引出板；所述衬板的上下表面均为单一金属化面；所述免引线电极引出板为复合母排或多层印制电路板，设置在功率半导体芯片上面；所述功率半导体芯片包括IGBT芯片和FRD芯片，IGBT芯片背面的集电极及 FRD芯片背面的阴极通过衬板正面的单一金属化面实现互连；所述集电极端子焊接在衬板正面的单一金属化面上，将IGBT芯片背面的集电极及FRD芯片背面的阴极互连并引出至模块外部。
2.根据权利要求1所述的免引线键合IGBT模块，其特征在于，所述免引线电极引出板集成了栅极端子和发射极端子，将IGBT芯片正面的栅极互连并引出至模块外部，同时将 IGBT芯片正面的发射极和FRD芯片正面的阳极互连并引出至模块外部。
3.根据权利要求1所述的免引线键合IGBT模块，其特征在于，所述免引线电极引出板还集成了集电极端子，将IGBT芯片背面的集电极和FRD芯片背面的阴极互连并引出至模块外部。
4.根据权利要求1至3之一所述的免引线键合IGBT模块，其特征在于，所述免引线电极引出板与功率半导体芯片正面电极或衬板正面的单一金属化面的连接介质为银。
全文摘要
本发明公开了一种免引线键合IGBT模块，包括基板、焊接在基板上的衬板、焊接在衬板上的功率半导体芯片和集电极端子，还包括免引线电极引出板；所述免引线电极引出板为复合母排或多层印制电路板，设置在功率半导体芯片上面，用于实现功率半导体芯片的电极互连及引出，并为模块提供电流及散热通路；所述功率半导体芯片电极通过免引线电极引出板上的连接端子互连，连接介质为银。本发明免除了引线键合，降低了寄生电感，提高了可靠性；减少了封装材料与零部件，使模块结构更紧凑；实现了双面散热，降低热阻；简化了封装工艺，降低了模块成本。
文档编号H01L23/52GK102254886SQ20111022248
公开日2011年11月23日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者刘国友, 覃荣震, 黄建伟 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司