一种八单元IGBT功率模块的制作方法

本发明属于电子元件制造领域，具体涉及一种八单元IGBT功率模块。

背景技术：

现有的IGBT功率模块PCB采用插针和人工焊接的生产工艺，造成了生产和安装工序复杂，生产效率低下。在IGBT模块生产时，外部针脚焊接和内部铝丝压焊均会出现虚焊现象，造成功率模块的损坏，影响产品可靠性和稳定性。

针对以上问题，我们提出一种八单元IGBT功率模块，内部芯片完全采用贴片工艺，并采用机械贴片的安装方式，使生产工艺简单化、减少人工参与、生产效率提高，功率模块的体积变得更小、更轻更薄；将驱动模块、IGBT功能模块和感温元件等集成在一整块陶瓷铜基板上，集成度更高；较传统的七单元IGBT模块，额外集成了一块可控硅，实现传统智能模块中继电器的作用，通过将该功能集成在功率模块中，实现更高程度的集成；对功率模块进行了功能区域划分，使功率模块的引脚布置更加合理化；功率模块的内部设置有感温元件，防止功率模块因过温而爆炸，提高产品安全性能；因所有元器件完成采用贴片工艺，且封装材料采用专用电子封装胶，降低了维修难度和维修成本，提高了使用率；创新设计塑胶外框结构，外框与铜基板之间采用平面焊接方式，进一步提升产品可靠性。

技术实现要素：

本发明针对现有IGBT功率模块的不足，提出一种八单元IGBT功率模块结构。

一种八单元IGBT功率模块，包括底部散热板、陶瓷铜基板、若干功率芯片、塑胶外框、塑胶封盖和限位柱；

陶瓷铜基板由下表面铜板层、中间陶瓷板层、上表面区域布线铜板层三部分组成；底部散热板上表面与陶瓷铜基板的下表面铜板层贴合；陶瓷铜基板的中间陶瓷层为绝缘层，陶瓷铜基板的上表面区域布线铜板层是功率芯片的表面贴装层，各芯片之间的电路连接通过铝线进行连接；塑胶外框由上往下 将整个陶瓷铜基板的外边以及区域布线铜板层上的功率芯片包围在塑胶外框的内部，并同时将底部散热板的外周边包住部分深度；在陶瓷铜基板与功率芯片之上，塑胶外壳之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过塑胶封盖的安装高度，最后用塑胶封盖将功率芯片完全封在塑胶外框内部；所述的底部散热板的两端开有两个安装孔，安装孔内设有限位柱，限位柱与底部散热板的两个安装孔过盈配合；塑胶外框的两端也分别开有一个限位孔，限位孔与限位柱直径一致，限位柱套在塑胶外框的两端限位孔内。

所述的塑胶外框上端开有四个安装槽，所述的塑胶封盖的四角分别留有凸出结构，与塑胶外框的凹槽相配合。

对功率模块进行静态测试和动态测试后，将测试数据和产品型号打印在产品外壳上，其中产品的测试数据以二维码方式进行表达，完成功率模块的封装。

模块内部所有功率芯片，均采用贴片方式进行焊接；

安装可控硅作为相比于传统七单元功率模块额外增加的第八个单元，用于实现传统智能模块外围电路中的继电器功能，提升了模块集成度；

在陶瓷铜基板上表面的布线铜板层设置有感温元件，该感温元件用来检测封装内部温度，使当内部温度达到一定温度后通过程序控制停止模块的继续使用，防止整个模块发生爆炸，达到安全生产的目的，并提升了模块集成度；

所述的塑胶外框沿长度方向上的两个边内都含有引脚，其中一个边含有7个引脚，另一个含有18个引脚，引脚都成Z字型结构，引脚的上边缘高出外框上边缘0.1mm，下边缘低于外框下方安装面边缘0.1mm，引脚的材料为铜，铜的外表面镀锡。

塑胶外框的加工流程如下：1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有7个引脚，另一片上有18个引脚，引脚两端均有铜片连接；2)在铜片的适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构；3)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工；4)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片切断，便于后续封装焊接。该加工工艺在引脚的弯折和注塑的过程中，始终保持引脚之间的连接，这样的方式可以保证注塑加工过程中引脚位置的稳定和形状的一致性，在注塑加工完成之后再切断连接铜片，解除引脚之间的连接；

本发明有益效果如下：

本发明与现有技术相比较具有如下特性：该结构的功率模块完全采用贴片工艺，使生产工艺简单化、提高生产效率，使功率模块的体积变得更小、更轻更薄；所述功率模块进行了功能区域划分，上下桥臂布局充分考虑电磁兼容性能，使功率模块的引脚布置更加合理化；所述功率模块在一整块陶瓷铜基板上同时集成了驱动模块、IGBT功能模块和感温元件等，特别集成了可控硅作为第八个单元，将继电器功能集成在功率模块中，使其集成度更高；所述功率模块的内部设置有感温元件，可以随时监测功率模块内部温度变化，可以在内部温度升至过高时停止功率器件的工作，防止功率模块因过温而爆炸，提高产品安全性能；所述功率模块因所有元器件完成采用贴片工艺，且采用专用电子封装胶进行封装，方便在产品因部分元件坏后的维修工作，降低了使用成本，提高了使用率；创新设计塑胶外框结构，外框与铜基板之间采用平面焊接方式，进一步提升产品可靠性。

附图说明：

图1为本发明整体安装的侧上方视图；

图2为本发明整体的侧上方爆炸视图；

图3-1为底部散热铜板的侧上方视图；

图3-2为定位柱的侧上方视图；

图3-3为定位柱与底部散热铜板的安装视图；

图4-1为陶瓷铜基板的侧上方视图；

图4-2为陶瓷铜基板的侧视图；

图5为功率芯片安装在陶瓷铜基板上的俯视图；

图6-1为塑胶外框侧上方视图；

图6-2为塑胶外框侧面剖视图；

图7为塑胶封盖的侧上方视图；

图8-1为塑胶外框引脚加工示意图；

图8-2为塑胶外框加工过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1所示为功率模块整体视图，留有两个安装孔，用于模块的安装与焊接，模块两侧共留有25个引脚。

图2所示为功率模块的爆炸视图，用于说明各个部件的相对位置，具体的安装方式在下文详述。

图3-1为底部散热铜板的侧上方视图，底部散热铜板为厚度均匀的铜制薄板，两端对称的开两个圆孔3-1，用于安装定位柱。图3-2为定位柱的侧上方视图，定位柱为中空的铜制圆柱体，圆柱体下部分外径与底部散热铜板留孔的内径相等，两者采用过盈配合进行安装，安装视图如图3-3所示。

图4-1所示为陶瓷铜基板的侧上方视图，图4-2所示为侧视图，由铜板层4-3、中间陶瓷板层4-2、上表面区域布线铜板层4-1压合而成。

在区域涂铜区的相应部分，分别采用贴片方式焊接各个功率芯片，功率芯片之间使用金属连接线进行连接，各个功率芯片的安装位置和各个功率芯片之间的连接方式如图5所示，黑色连线为铝丝。

图6-1为塑胶外框侧上方视图，塑胶外框为塑胶和经过弯折的铜片复合而成。外框整体为中空的矩形结构，两端各留有一个安装孔6-1，安装孔的内径与定位柱上部分的外径相等。塑胶外框中内嵌25个铜片6-3作为模块引脚，各个铜片均经过两次弯折，弯折角度均为90°，整体成Z字型如图6-2中阴影部分所示。铜片的宽度和间距配合陶瓷铜基板上各个芯片的位置而确定。铜片上边缘高出外框上边缘0.1mm，铜片下边缘低于外框下方安装面边缘0.1mm，该设计为了保证引脚在焊接时与焊盘充分贴合。塑胶外框上端开有四个安装槽6-4，用于配合塑胶封盖的安装。

图7所示为塑胶封盖结构，塑胶封盖整体上为均匀厚度的矩形结构，四角分别留有凸出结构7-1，与塑胶外框的凹槽6-4相配合。

本发明是一种八单元IGBT功率模块，包括底部散热铜板2-6、陶瓷铜基板2-4、功率芯片2-3、外壳和定位柱2-5。所述陶瓷铜基板由上层布线铜板层、中间层陶瓷层和下层铜板层组成，所述功率芯片包括可控硅、快恢复二极管、IGBT芯片、感温元件和驱动元件，所述外壳包括塑胶外框2-2和塑胶封盖2-1。

陶瓷铜基板由下表面铜板层、中间陶瓷板层、上表面区域布线铜板层三部分组成。底部散热板上表面与陶瓷铜基板的下表面铜板层贴合。陶瓷铜基板的中间陶瓷层为绝缘层，陶瓷铜基板的上表面区域布线铜板层是功率芯片的表面贴装层，各个芯片均采用贴片方式进行焊接安装。各芯片之间的电路连接通过铝丝进行连接。将塑胶外框从上往下套住陶瓷铜基板及其上的功率芯 片，且嵌入塑胶外框的外接引脚与陶瓷铜基板的上表面的布线铜板层相应区域涂铜对接并进行焊接，方便功率模块的外部连接，在塑胶外框内部注入封装树脂，最后在封装树脂上表面盖上塑胶封盖。

上述功率模块的陶瓷铜基板上的功率芯片集成有可控硅、快恢复二极管、IGBT芯片、感温元件和驱动元件等。其中可控硅为相比于传统七单元功率模块额外增加的第八个单元，用于实现传统智能模块外围电路中的继电器功能。各功率芯片及元件之间通过区域涂铜之间的铝丝进行连接。

上述陶瓷铜基板上表面的布线铜板层进行了区域划分，将强弱电元件进行了合理布局，提升了功率模块的可靠性。

上述功率模块增加了感温元件，感温元件布置在整个区域布线铜板层中大功率芯片附近，可以实时监测功率模块内部温度，能有效的避免功率模块因为温度过高而造成爆炸的生产安全问题。

本发明部分核心部件加工流程如下：

1.塑胶外框的加工流程

1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有7个引脚，另一片上有18个引脚，引脚两端均有铜片连接；

2)在铜片的适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构，如图8-1所示；

3)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工，加工过程中为图8-2所示；

4)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片切断，便于后续封装焊接，由此完成塑胶外框的加工。

该加工工艺在引脚的弯折和注塑的过程中，始终保持引脚之间的连接，这样的方式可以保证注塑加工过程中引脚位置的稳定和形状的一致性，在注塑加工完成之后再切断连接铜片8-1、8-2，解除引脚之间的连接。

本发明制造及安装流程如下：

1)分别完成底部散热铜板、定位柱、陶瓷铜基板、塑胶外框、塑胶封盖的制作，陶瓷铜基板和塑胶外框的加工流程如上文所述；

2)将定位柱安装入底部铜基板的安装孔中，两者之间采用过盈配合；

3)在底部散热铜板上涂一层焊剂，于相应位置放置陶瓷铜基板，将两者进行气体保护高温焊接，由此陶瓷铜基板的下表面与底部散热铜板的上表面紧密贴合，以保证散热充分；

4)对焊接后的陶瓷铜基板进行清洗；

5)采用钢网锡浆印刷工艺在陶瓷铜基板的上表面涂一层焊剂，相应位置放置各个功率元件，并以定位柱为定位标准安装塑胶外框，此时塑胶外框上各个引脚与陶瓷铜基板上的焊盘一一对应，整体进行气体保护回流焊接；

5)在功率器件和陶瓷铜基板的相应位置焊接铝丝，由此完成模块内部电路部分的焊接；

6)在陶瓷铜基板与功率芯片之上，塑胶外壳之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过塑胶封盖的安装高度；

7)将塑胶封盖安装在塑胶外壳的相应安装位置；

8)对功率模块进行静态测试和动态测试；

9)测试通过后，将测试数据和产品型号打印在产品外壳上，其中产品的测试数据以二维码方式进行表达，完成功率模块的封装。