专利名称：一种大功率igbt模块封装结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于功率器件技术领域，具体涉及一种大功率IGBT模块封装结构。
背景技术：
绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)兼具单极性器件开关频率高和双极性器件导通压降低的优点，在工业控制、风力发电、轨道交通和电力系统等大功率应用领域发挥着不可替代的作用。如图1，传统的IGBT模块主要由半导体芯3 (包含IGBT芯片和快恢复二极管FRD芯片)、覆铜陶瓷基板2、底板1、功率电极4和控制电极5以及内部引线7和外壳等构成。底板I作为整个IGBT模块的机械支撑和散热通道位于IGBT模块最下部，与侧面的壳体和上部的盖板共同构成IGBT模块的外围保护。IGBT和FRD芯片一次焊接于覆铜陶瓷基板2上表面，附有半导体芯片3的覆铜陶瓷基板2下表面与底板I 二次焊接，形成三明治型结构。功率电极4下部与覆铜陶瓷基板2上表面上的焊盘焊接，通过覆铜陶瓷基板2表面铜层形成与半导体芯片3的电气连接，功率电极4上部穿过盖板弓I出形成与外部的电气连接端口，由于在功率电极4与盖板接口处存在缝隙，IGBT模块在壳体内部灌注硅凝胶覆盖半导体芯片以保护其不受空气 中水分和灰尘的影响。与功率电极4相似，控制电极5上部穿过盖板形成控制连接端口，下部与覆铜陶瓷基板2上的焊盘直接焊接或通过铝丝连接。由于单片半导体芯片3电流的限制，在大功率应用场合，单片覆铜陶瓷基板2上一般会放置多片并联的半导体芯片3，而后再通过多块覆铜陶瓷基板2的并联来得到更大的电流容量。
实用新型内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种大功率IGBT模块封装结构，通过增加环氧树脂层增加了 IGBT模块的气密性，同时对控制电极可起到紧固支撑的作用，从而简化了控制电极结构，同时便于覆铜陶瓷基板上半导体芯片的布局设计。为了实现上述目的，本实用新型采取如下方案:提供一种大功率IGBT模块封装结构，所述结构包括底板、覆铜陶瓷基板、半导体芯片、功率电极、控制电极、凝胶层、环氧树脂层和双绞软连线；所述底板、凝胶层和环氧树脂层从下到上依次分布，所述覆铜陶瓷基板的上下表面分别与半导体芯片和底板焊接，所述覆铜陶瓷基板和半导体芯片均封装在所述凝胶层内部，所述功率电极穿过环氧树脂层和凝胶层与覆铜陶瓷基板相连，所述控制电极通过环氧树脂层紧固，其通过双绞软连线与覆铜陶瓷基板的焊盘或直接与半导体芯片连接，所述环氧树脂层的厚度5.0 20.0mm。所述半导体芯片包括IGBT芯片和快恢复二极管FRD芯片。所述功率电极截面为倒L型，其伸出IGBT模块上部的弯折部分留有安装孔。所述功率电极的厚度为2.0 4.0mm,所述基板的厚度为4.0 8.0mm。所述控制电极的厚度为1.0 2.0mm。所述双绞软连线包括金属导线和包裹在金属导线外部的绝缘层，其在空间依次穿过环氧树脂层和凝胶层和与覆铜陶瓷基板或半导体芯片焊接。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:1、在盖板内部灌注环氧树脂，待其固化后能彻底密封模块，阻止外部污染物进入模块内部，同时增加了 IGBT模块的气密性，提高了 IGBT模块的机械强度。此外，可形成对功率电极和控制电极空间位置的紧密固定，从而简化了控制电极结构，同时便于覆铜陶瓷基板上半导体芯片的布局设计；减轻外部振动对功率电极与覆铜陶瓷基板焊盘连接处的影响，提高整个模块的抗震特性；2、由于环氧树脂层的支撑，控制电极不必再占用覆铜陶瓷基板面积，还可大幅缩短长度，减小杂散电感。控制电极采用双绞软连线直接与覆铜陶瓷基板(或芯片)焊盘连接，可提高控制布线的灵活性，相比于铝丝键合连线具有更小的杂散电感，改善了功率电流分布特性；3、对于并联的覆铜陶瓷基板单元(或芯片)，从控制电极下部分别引出双绞软连线，利用三维空间走线的灵活性，可改善传统模块控制电极在同一平面走线必然存在的杂散电感不一致现象，改善并联单元的均流特性；4、该IGBT模块封装结构减少模块封装过程中的工艺步骤，制造成本低。
图1是传统IGBT模块封装结构截面图；图2是本实用新型实施例中IGBT模块封装结构截面图；图3是本实用 新型实施例中IGBT模块封装结构应用示意图；其中，1-底板，2-覆铜陶瓷基板，3-半导体芯片，4-功率电极，5-控制电极，6_凝胶层，7-键合铝线，8-环氧树脂层，9-双绞软连线。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。如图2，提供一种大功率IGBT模块封装结构，所述结构包括底板1、覆铜陶瓷基板
2、半导体芯片3、功率电极4、控制电极5、凝胶层6、环氧树脂层8和双绞软连线9 ;所述底板
1、凝胶层6和环氧树脂层8从下到上依次分布，所述覆铜陶瓷基板2的上下表面分别与半导体芯片3和底板I焊接，所述覆铜陶瓷基板2和半导体芯片3均封装在所述凝胶层6内部，所述功率电极4穿过环氧树脂层8和凝胶层6与覆铜陶瓷基板2相连，所述控制电极5通过环氧树脂层8紧固，其通过双绞软连线9与覆铜陶瓷基板2的焊盘或直接与半导体芯片3连接。所述环氧树脂层8由液态的环氧树脂凝固而成，充满IGBT模块内部凝胶层上方部分，其厚度为5.0 20.0mm。所述半导体芯片3包括IGBT芯片和快恢复二极管FRD芯片。所述功率电极4截面为倒L型，其伸出IGBT模块上部的弯折部分留有安装孔。所述功率电极4由表面镀镍的铜材料制成，其厚度为2.0 4.0mm。所述基板I为铜或碳化娃招材料制成，其厚度为4.0 8.0mm。所述控制电极5由表面镀镍的铜材料制成，其厚度为1.0 2.0mm。所述凝胶层6由液态的硅质胶体凝固而成，其覆盖覆铜陶瓷基板2和半导体芯片3，且该凝胶层6中无气泡和空洞。所述双绞软连线9包括金属导线和包裹在金属导线外部的绝缘层，其在空间依次穿过环氧树脂层和凝胶层和与覆铜陶瓷基板或半导体芯片焊接。本申请提出的IGBT模块封装结构在填充凝胶层6上部添加一层环氧树脂层8，除起到增强模块结构强度、紧固功率电极与控制电极空间位置的作用外，还能彻底隔绝外部空气的进入，对半导体芯片提供更好的保护。由于环氧树脂层8的紧固，控制电极5不再依赖于覆铜陶瓷基板2的支撑，除上部伸出盖板的端口部分外，下部仅需嵌入环氧树脂层8 —定深度即可确保其机械稳定性与密封性，而不必延伸至覆铜陶瓷基板2上。控制电极5与覆铜陶瓷基板2上焊盘的连接可采用软线来代替传统的键合铝线7，充分发挥空间走线灵活的优势，此时还可大幅减小传统IGBT模块控制电极5在覆铜陶瓷基板2上的占用面积，方便其他部分电路的走线与芯片布局。本申请采用双绞软连线9连接控制电极5下端与覆铜陶瓷基板2上表面相应焊盘或直接与半导体芯片3相连，可减小传统IGBT模块采用键合铝线7引起的杂散电感和电阻参数，改善控制单元电气特性，此外还可减少模块封装过程中的工艺步骤，降低制造成本。对于大功率IGBT模块的多个并联覆铜陶瓷基板单元，本申请前述方案由于控制电极5采用双绞软连线9进行空间走线，具有不受覆铜陶瓷基板2表面布局走线限制的优点，本申请采用一个辅助电极引出多根软连线的方式，分别与并联覆铜陶瓷基板2 (或半导体芯片3)各单元的焊盘连接，如图3所示。对于并联的覆铜陶瓷基板2和覆铜陶瓷基板2，控制电极5引出两条双绞软连线分别与覆铜陶瓷基板2和覆铜陶瓷基板2相应焊盘(或半导体芯片)连接，双绞软连线走线过程中保持对于并联两单元的对称及走线长度一致，同理控制电极5走线与此类似，从而确保各单元控制部分电路的一致性，避免由于开关过程电流分布不均造成IGBT模块中并联覆铜陶瓷基板单元(或芯片)中某一单元因承受过大电流而烧毁，提高模块的可靠性。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述结构包括底板、覆铜陶瓷基板、半导体芯片、功率电极、控制电极、凝胶层、环氧树脂层和双绞软连线；所述底板、凝胶层和环氧树脂层从下到上依次分布，所述覆铜陶瓷基板的上下表面分别与半导体芯片和底板焊接，所述覆铜陶瓷基板和半导体芯片均封装在所述凝胶层内部，所述功率电极穿过环氧树脂层和凝胶层与覆铜陶瓷基板相连，所述控制电极通过环氧树脂层紧固，其通过双绞软连线与覆铜陶瓷基板的焊盘或直接与半导体芯片连接，所述环氧树脂层的厚度5.0 20.0mm0
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述半导体芯片包括IGBT芯片和快恢复二极管FRD芯片。
3.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述功率电极截面为倒L型，其伸出IGBT模块上部的弯折部分留有安装孔。
4.根据权利要求2所述的大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述功率电极的厚度为2.0 4.0mm,所述基板的厚度为4.0 8.0mm。
5.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述控制电极的厚度为1.0 2.0mm。
6.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块封装结构，其特征在于:所述双绞软连线包括金属导线和包裹在金属导线外部的绝缘层，其在空间依次穿过环氧树脂层和凝胶层和与覆铜陶瓷 基板或半导体芯片焊接。
专利摘要本实用新型提供一种大功率IGBT模块封装结构，所述结构包括底板、覆铜陶瓷基板、半导体芯片、功率电极、控制电极、凝胶层、环氧树脂层和双绞软连线；所述底板、凝胶层和环氧树脂层从下到上依次分布，所述覆铜陶瓷基板的上下表面分别与半导体芯片和底板焊接，所述覆铜陶瓷基板和半导体芯片均封装在所述凝胶层内部，所述功率电极穿过环氧树脂层和凝胶层与覆铜陶瓷基板相连，所述控制电极通过环氧树脂层紧固，其通过双绞软连线与覆铜陶瓷基板的焊盘或直接与半导体芯片连接。本实用新型通过增加环氧树脂层增加了IGBT模块的气密性，同时对控制电极可起到紧固支撑的作用，从而简化了控制电极结构，同时便于覆铜陶瓷基板上半导体芯片的布局设计。
文档编号H01L23/29GK203103275SQ20122067916
公开日2013年7月31日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者张朋, 韩荣刚, 于坤山 申请人:国网智能电网研究院, 国家电网公司