适用于电动汽车逆变器的igbt模块及封装方法和使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，IGBT芯片的集电极与厚度超过IGBT芯片短边长度的第一铜块焊接，IGBT芯片的发射极通过第二铜块引出，控制极通过绑定线引出；第二铜块通过高导热率的导热导电缓冲层与第三铜块连接。本发明还公开IGBT模块的封装方法和使用方法，IGBT模块通过绝缘导热垫片压在冷却板上，其中IGBT芯片与冷却板相互垂直。本发明通过增加IGBT直接焊接处的铜厚实现热容增加，利用铜的高导热率和高热容实现短时间内吸收大量热量，降低瞬态热阻，增加峰值电流能力；此外通过铜层的热扩散，增大散热面积和双面冷却实现热阻降低，而且利用一块冷却板实现双面冷却，降低了机械结构复杂度以及成本。
【专利说明】适用于电动汽车逆变器的IGBT模块及封装方法和使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动汽车驱动逆变器技术，尤其属于一种IGBT模块以及这种IGBT模块的封装方法和使用方法。
【背景技术】
[0002]在传统的工业应用中，对于IGBT模块的峰值电流能力没有很高的要求，然而用于汽车中时，为了满足频繁的短时加速的需要，则要求IGBT模块具有很强的峰值电流能力，通常为2s?30s，此时的电流能力往往是其额定能力(或者连续电流能力)的2?3倍甚至更高。
[0003]传统工业中的IGBT模块结构如图1所示，其生产流程比较简单，首先将IGBT芯片I焊接在DBC(Direct bonded copper,覆铜陶瓷基板,铜层2+绝缘导热垫片(陶瓷)3+铜层2)的顶部铜层2上，然后通过绑定线将其他电极(发射极、门极以及其它非功率管脚)引出即可，DBC底部的铜层2通过导热脂4’与冷却板5进行热量传递，由于DBC中的铜层很薄(一般0.1mm?0.6mm)，热容很小，因此这种IGBT模块的峰值电流能力较低。如果将这种传统工业中的IGBT模块用于汽车中，那么必须按照所需的峰值电流能力选择合适的IGBT模块，由于车用IGBT模块要求具有很高的峰值电流能力，因此合适的IGBT模块必然具有较大的IGBT芯片，而在IGBT模块中IGBT芯片占了绝大部分的成本，这就造成车用IGBT模块价格昂贵以及逆变器的成本高昂。同时，车用IGBT模块在使用的大部分时间中，连续电流能力远远低于峰值电流能力，这就造成了 IGBT芯片电流能力的极大浪费。而且，由于绑定线的寿命问题，这种工业用IGBT模块难以满足车用的寿命要求。所以从车用角度来说，希望有这样一种IGBT模块，其额定电流较小，但是却能够在短时间内具有较大的峰值电流能力。
[0004]为了实现上述功能，各大零部件供应商采取了一定的措施改进传统工业中的IGBT模块结构，目前主要有两种方案较为典型。一种是厚铜方案，如图2所示，增加与IGBT芯片I焊接的顶部铜层2的厚度(厚度增加为约2mm?5mm，传统结构中的铜层厚度一般仅为几百微米)，其余结构不变，这样可以增加IGBT模块的热容同时降低其热阻，使得IGBT模块的峰值电流能力提升。在这种结构中，IGBT模块的热容增加是利用铜热容值较大的特性，而热阻降低则主要是利用铜的超高导热性，当IGBT芯片I发热传到铜后热量将迅速扩散，从而相对增加了向冷却板5传热的面积，因而降低了热阻。另外，功率输出部分取消了绑定线，而是采用直接铜排焊接引出，延长了 IGBT模块的寿命。另一种是双面冷却方案，如图3所示，将IGBT芯片I的两面都焊接在DBC (铜层2+绝缘层3+铜层2)上，通过双面冷却，降低热阻，从而提高IGBT模块的电流能力，这种结构的缺点是水冷机械系统较为复杂，增加了成本，降低了可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于电动汽车逆变器的IGBT模块及其封装方法和使用方法，可以降低热阻，增加热容，提高峰值电流能力，在相同的电流需求下可以减少IGBT芯片的使用面积，降低IGBT模块及逆变器的成本。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供的IGBT模块为含有至少一块IGBT芯片的单IGBT模块，所述IGBT芯片的集电极均与一个第一铜块焊接，发射极都通过一个第二铜块引出，其它控制极通过绑定线引出，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所述第二铜块与一个第三铜块连接。
[0007]本发明还提供上述单IGBT模块的封装方法，包括:
[0008]步骤1，将所有IGBT芯片的集电极面都焊接在第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度；
[0009]步骤2，将所有IGBT芯片的发射极面都焊接在第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极；
[0010]步骤3，通过绑定线将IGBT芯片的控制极引出；
[0011]步骤4，将第二铜块与一个第三铜块连接；
[0012]步骤5，塑封。
[0013]本发明还提供上述单IGBT模块的使用方法，所述单IGBT模块通过绝缘导热垫片压在冷却板上，IGBT芯片均与冷却板相互垂直。
[0014]优选的，所述第一铜块的厚度为8mm?20mm,所述第二铜块的厚度为2mm?5mm,
所述第三铜块的厚度约为第一铜块与第二铜块的厚度差。
[0015]其中，所述第二铜块通过一导热缓冲层与第三铜块连接，且IGBT芯片的发射极与第三铜块电气连接，所述导热缓冲层采用高导热率的柔性材料。
[0016]或者，所述第二铜块通过一导热导电缓冲层与第三铜块连接，所述导热导电缓冲层采用高导热率且导电的柔性材料。
[0017]另外，本发明还提供另一种适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，所述IGBT模块为包括上半桥IGBT和下半桥IGBT的半桥IGBT模块，所述上半桥IGBT和下半桥IGBT包括数量相同的IGBT芯片；
[0018]所述上半桥IGBT的所有IGBT芯片的集电极均与一个第一铜块焊接，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所有IGBT芯片的发射极均通过一个第二铜块弓I出，其它控制极通过绑定线引出；
[0019]所述下半桥IGBT的所有IGBT芯片的集电极均与另一个第一铜块焊接，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所有IGBT芯片的发射极均通过另一个第二铜块引出，其它控制极通过绑定线引出；
[0020]上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接，下半桥IGBT的发射极与一个
第三铜块连接。
[0021]本发明还提供所述半桥IGBT模块的封装方法，包括:
[0022]步骤1，将上半桥所有IGBT芯片的集电极面焊接在第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度；
[0023]步骤2，将上半桥所有IGBT芯片的发射极面焊接在第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极；[0024]步骤3，通过绑定线将IGBT芯片的控制极引出，完成上半桥IGBT的焊接；
[0025]步骤4，将下半桥所有IGBT芯片的集电极面焊接在另一第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度；
[0026]步骤5，将下半桥所有IGBT芯片的发射极面焊接在另一第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极；
[0027]步骤6，通过绑定线将IGBT芯片的控制极引出，完成下半桥IGBT的焊接；
[0028]步骤7，将上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接，下半桥IGBT的发射极与一第三铜块连接；
[0029]步骤8，塑封。
[0030]本发明还提供所述半桥IGBT模块的使用方法，其中上半桥IGBT和下半桥IGBT通过绝缘导热垫片压在冷却板上，所述上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片与冷却板相互垂直。
[0031]其中，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热缓冲层第三铜块连接，所述导热缓冲层采用高导热率的柔性材料。
[0032]或者，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热导电缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热导电缓冲层第三铜块连接，所述导热导电缓冲层采用高导热率且导电的柔性材料。
[0033]优选的，所述第一铜块的厚度为8mm?20mm,所述第二铜块的厚度为2mm?5mm,
所述第三铜块的厚度约为第一铜块与第二铜块的厚度差。
[0034]本发明在厚铜技术和双面冷却技术的基础上，进一步增加热容和降低热阻，其主要依靠增加IGBT直接焊接处的铜厚来实现热容增加，同时利用铜的高导热率和高热容实现短时间内吸收大量热量，从而降低瞬态热阻，增加峰值电流能力。此外，通过铜层的热扩散，增大散热面积和双面冷却实现热阻的降低，而且本发明的IGBT模块双面冷却只需要一块冷却板，降低了机械结构的复杂度，降低了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是传统工业中的IGBT模块的结构示意图及使用状态图；
[0036]图2是现有的车用IGBT模块的一种结构示意图及使用状态图；
[0037]图3是现有的车用IGBT模块的另一种结构示意图及使用状态图；
[0038]图4是本发明的车用IGBT模块的结构示意图及使用状态图；
[0039]图5是本发明中单IGBT模块的封装示意图；
[0040]图6是本发明中半桥IGBT模块的封装示意图；
[0041]图7是图6的电路原理图；
[0042]图8是图1至图4四种IGBT模块的热阻曲线对比图。
[0043]其中附图标记说明如下:
[0044]I为IGBT芯片；2为铜块；3为绝缘导热垫片；4’为导热脂；4为导热导电缓冲层；5为冷却板；21为第一铜块；22为第二铜块；23为第三铜块；A为传统工业IGBT模块的热阻曲线；B为厚铜结构的IGBT模块的热阻曲线；C为双面冷却结构的IGBT模块的热阻曲线；D为本发明半桥IGBT模块的热阻曲线；E为汽车驱动峰值电流时间。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0046]本发明提供的IGBT模块适用于电动汽车(包括纯电动汽车、混合动力电动汽车或其他类型的电动汽车)，其中单IGBT模块含有至少一块IGBT芯片1，所述IGBT芯片I的集电极均与一个第一铜块21焊接，所述第一铜块21的厚度超过IGBT芯片I的短边(IGBT芯片的集电极面中较短的一边)长度，所述IGBT芯片I的发射极都通过一个第二铜块22引出，所述第二铜块22通过导热导电缓冲层4与一个第三铜块23连接，其它控制极通过绑定线引出，如图5所示。所述导热导电缓冲层4具有高导热率、高导电性的特性，且具有一定的机械缓冲能力，如铟垫片。当然，该导热导电缓冲层也可以替换为不具备导电性的导热缓冲层(如常规通用的导热脂)，此时，要将发射极(或第二铜块22)与第三铜块23进行电气连接。
[0047]上述单IGBT模块封装时，先将IGBT芯片I的集电极面焊接在第一铜块21上，接着将IGBT芯片I的发射极面焊接在第二铜块22上，通过所述第二铜块22引出发射极，然后通过绑定线将IGBT芯片I的控制极(如果有其它非功率管脚，此时也一并通过绑定线的方式引出)引出，再将第二铜块22通过导热导电缓冲层4与一个第三铜块23连接，最后进行塑封。
[0048]其中，第一铜块21的厚度优选的为8mm?20mm,第二铜块22的厚度为2mm?5mm,第三铜块23的厚度约为第一铜块21与第二铜块22的厚度差。
[0049]焊接IGBT芯片I的集电极之前，需要对第一铜块21进行一定的表面处理以防腐和便于焊接。
[0050]上述单IGBT模块在使用时，将其通过绝缘导热垫片3压在冷却板5上，IGBT芯片I均与冷却板5相互垂直。
[0051]本发明还提供一种半桥IGBT模块，如图4所示，其包括上半桥IGBT和下半桥IGBT，所述上半桥IGBT和下半桥IGBT包括数量相同的IGBT芯片I ;
[0052]所述上半桥IGBT的所有IGBT芯片I的集电极均与一个第一铜块21焊接，所述第一铜块21的厚度超过IGBT芯片I的短边长度，所有IGBT芯片I的发射极均通过一个第二铜块22引出，其它控制极通过绑定线引出；
[0053]所述下半桥IGBT的所有IGBT芯片I的集电极均与另一个第一铜块21焊接，所述第一铜块21的厚度也超过IGBT芯片I的短边长度，所有IGBT芯片I的发射极均通过另一个第二铜块22引出，其它控制极通过绑定线引出；
[0054]上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接,下半桥IGBT的发射极与一第三铜块23焊接。
[0055]在上述结构中，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块22和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块21通过导热导电缓冲层4连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块22通过导热导电缓冲层4与第三铜块23连接。
[0056]其中，所述第一铜块21的厚度为8mm?20mm,第二铜块22的厚度为2mm?5mm,第三铜块23的厚度约为第一铜块21与第二铜块22的厚度差。
[0057]上述半桥IGBT模块在单IGBT模块的基础上，将两个IGBT模块串联，电路结构如图7所示，封装时，如图6所示，将两个焊接好的IGBT通过导热且导电的导热导电缓冲层4压接在一起，其中上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接，下半桥IGBT的发射极与第三铜块23焊接，最后再进行塑封以给予上半桥IGBT和下半桥IGBT —定的预紧力保证上下半桥良好的导热性和导电性。
[0058]在上述封装过程中，使上半桥IGBT和下半桥IGBT串联就是将与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块22和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块21通过导热导电的导热导电缓冲层4连接，同时将与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块22通过导热导电的导热导电缓冲层4与第三铜块23连接。
[0059]上述半桥IGBT模块在使用时，上半桥IGBT和下半桥IGBT通过绝缘导热垫片3压在冷却板5上，所述上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片与冷却板相互垂直，如图4所示。而传统的工业用IGBT模块和车用IGBT模块在使用时，IGBT芯片和冷却板都是处于水平状态，因此为了实现双面冷却就需要两块冷却板，造成冷却系统结构复杂，成本较高。
[0060]本发明在厚铜技术和双面冷却技术的基础上，进一步增加热容和降低热阻，其主要依靠增加IGBT直接焊接处的铜厚来实现热容增加，同时利用铜的高导热率和高热容实现短时间内吸收大量热量，从而降低瞬态热阻，增加峰值电流能力。此外，通过铜层的热扩散，增大散热面积和双面冷却实现热阻的降低，而且本发明的IGBT模块双面冷却只需要一块冷却板，降低了机械结构的复杂度，降低了成本。
[0061]图8为图1至图4四种IGBT模块的热阻曲线对比图，其中，未使用厚铜的IGBT模块(图1所示的传统IGBT模块和图3所示的双面冷却IGBT模块)热容很小，在汽车驱动峰值电流时间E内，二者的热阻曲线A和C早就达到稳定，对汽车驱动而言，峰值电流能力和持续电流能力是一样的。而仅使用厚铜的IGBT模块(图2所示结构)稳态热阻虽然比较大，但热容不是很大，所以在汽车驱动峰值电流时间内的热阻比稳定值要小一点，具有一定的峰值电流能力。相比之下，本发明的热容进一步增加，在汽车驱动峰值电流时间内的热阻进一步降低，峰值电流能力大幅提高。
[0062]以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对各铜块的厚度、结构等方面通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。
【权利要求】
1.一种适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，所述IGBT模块为含有至少一块IGBT芯片的单IGBT模块，所述IGBT芯片的集电极均与一个第一铜块焊接，发射极都通过一个第二铜块引出，其它控制极通过绑定线引出，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所述第二铜块与一个第三铜块连接。
2.根据权利要求1所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，所述第一铜块的厚度为8mm~20mm,所述第二铜块的厚度为2mm~5mm,所述第三铜块的厚度为第一铜块与第二铜块的厚度差。
3.根据权利要求1所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，所述第二铜块通过一导热缓冲层与第三铜块连接，且IGBT芯片的发射极与第三铜块电气连接，所述导热缓冲层采用高导热率的柔性材料。
4.根据权利要求1所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，所述第二铜块通过一导热导电缓冲层与第三铜块连接，所述导热导电缓冲层采用高导热率且导电的柔性材料。
5.—种如权利要求1所述的IGBT模块的封装方法,其特征在于,包括: 步骤1，将所有IGBT芯片的集电极面都焊接在第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度； 步骤2，将所有IGBT芯片的发射极面都焊接在第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极； 步骤3，通过绑定线将IGB T芯片的控制极引出； 步骤4，将第二铜块与一个第三铜块连接； 步骤5，塑封。
6.根据权利要求5所述的IGBT模块的封装方法，其特征在于，在步骤4中，第二铜块通过一导热缓冲层与第三铜块连接，且IGBT芯片的发射极与第三铜块进行电气连接。
7.根据权利要求5所述的IGBT模块的封装方法，其特征在于，在步骤4中，第二铜块通过一导热导电缓冲层与第三铜块连接。
8.—种如权利要求1所述的IGBT模块的使用方法，其特征在于，所述单IGBT模块通过绝缘导热垫片压在冷却板上，IGBT芯片均与冷却板相互垂直。
9.一种适用于电动汽车逆变器的IGBT模块,其特征在于， 所述IGBT模块为包括上半桥IGBT和下半桥IGBT的半桥IGBT模块，所述上半桥IGBT和下半桥IGBT包括数量相同的IGBT芯片； 所述上半桥IGBT的所有IGBT芯片的集电极均与一个第一铜块焊接，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所有IGBT芯片的发射极均通过一个第二铜块引出，其它控制极通过绑定线引出； 所述下半桥IGBT的所有IGBT芯片的集电极均与另一个第一铜块焊接，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度，所有IGBT芯片的发射极均通过另一个第二铜块引出，其它控制极通过绑定线引出； 上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接，下半桥IGBT的发射极与一个第三铜块连接。
10.根据权利要求9所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热缓冲层第三铜块连接，所述导热缓冲层采用高导热率的柔性材料。
11.根据权利要求9所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热导电缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热导电缓冲层第三铜块连接，所述导热导电缓冲层采用高导热率且导电的柔性材料。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的适用于电动汽车逆变器的IGBT模块，其特征在于，所述第一铜块的厚度为8mm~20mm,所述第二铜块的厚度为2mm~5mm,所述第三铜块的厚度为第一铜块与第二铜块的厚度差。
13.—种如权利要求9所述的IGBT模块的封装方法，其特征在于，包括: 步骤1，将上半桥所有IGBT芯片的集电极面焊接在第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度； 步骤2，将上半桥所有IGBT芯片的发射极面焊接在第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极； 步骤3，通过绑定线将IGBT芯片的控制极引出，完成上半桥IGBT的焊接； 步骤4，将下半桥所有IGBT芯片的集电极面焊接在另一第一铜块上，所述第一铜块的厚度超过IGBT芯片的短边长度； 步骤5，将下半桥所有IGBT芯片的发射极面焊接在另一第二铜块上，通过所述第二铜块引出发射极； 步骤6，通过绑定线将IGBT芯片的控制极引出，完成下半桥IGBT的焊接； 步骤7，将上半桥IGBT的发射极与下半桥IGBT的集电极连接，下半桥IGBT的发射极与一第三铜块连接； 步骤8，塑封。
14.根据权利要求13所述的IGBT模块的封装方法，其特征在于，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热缓冲层第三铜块连接。
15.根据权利要求13所述的IGBT模块的封装方法，其特征在于，与上半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块和与下半桥IGBT集电极焊接在一起的第一铜块通过导热导电缓冲层连接，与下半桥IGBT发射极焊接在一起的第二铜块通过导热导电缓冲层第三铜块连接。
16.一种如权利要求9所述的IGBT模块的使用方法，其特征在于，上半桥IGBT和下半桥IGBT通过绝缘导热垫片压在冷却板上，所述上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片与冷却板相互垂直。
【文档编号】H01L23/367GK103745962SQ201310703298
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】张兴春, 王向炜, 孙辉 申请人:联合汽车电子有限公司