IGBT模块封装结构及冷却系统的制作方法

本实用新型涉及半导体封装技术领域，更详细地说，本实用新型涉及一种IGBT封装结构及其冷却系统。

背景技术：

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块占据了逆变器40％以上的成本和90％以上的发热，其封装优劣及散热布置极大地影响了整个逆变器的性能。

如图1所示，每个半桥IGBT模块内含上下半桥两个IGBT芯片，每个IGBT芯片包含三个电极集电极C、发射极E和栅极G，其中C、E 极用于传导电流，G为IGBT芯片的控制导通/关断端子。下半桥IGBT 芯片的C极和上半桥IGBT芯片的E极互连形成输出端子，上半桥IGBT 芯片的C极和下半桥芯片的E极分别为该IGBT模块的输入端T+、T-。

传统半桥IGBT模块的构成原理如图2、图3所示，IGBT芯片一面为E极，一面为C极。对于传统半桥IGBT模块，绝缘陶瓷基板(DCB) 表面区域设置正输入端(T+)区域、相输出区域、负输入(T-)区域，其中上半桥IGBT芯片处为正输入端(T+)区域，下半桥IGBT芯片处为相输出区域，下半桥IGBT芯片一侧处为负输入(T-)区域，DCB表面两区域之间设置电气隔离区域，将上半桥IGBT芯片C极焊接到DCB 的正输入端(T+)区域，下半桥IGBT芯片C极焊接到DCB的相输出区域，下半桥IGBT芯片E极通过细小绑定线引到DCB的负输入端(T-) 区域，上半桥IGBT芯片E极通过细小绑定线引到DCB的相输出区域，通过绑定线使正输入端(T+)区域、负输入端(T-)区域、相输出区域连接相应功率端子，DCB通过热脂与水冷板单面接触散热。传统半桥 IGBT模块，半导体IGBT芯片占成本的50％以上，为单面散热，散热效率低，热阻高，热容低，为保证足够的电流能力，需使用大面积的IGBT 芯片，导致成本上升。因此，双面散热由于能够极大提高IGBT模块的散热效果，将成为未来IGBT散热技术发展的主流方向。

然而，绑定线技术为工业级IGBT模块通用封装技术，若需要实现IGBT模块的双面散热，由于绑定线的存在，其将横架在IGBT模块中的芯片上，影响芯片与散热器之间的传热，从而损害封装模块的散热效果。

因此，本领域技术人员需要提供一种IGBT模块封装结构，更加适配于双面冷却技术，从而能够获得更好的冷却效果。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题为如何避免绑定线对IGBT模块散热性能的干扰，增大输出功率的同时缩小封装模块的尺寸。

鉴于现有技术的上述问题，本实用新型首先提供了一种IGBT模块封装结构，包括至少一个半桥IGBT模块，所述半桥IGBT模块包括第一焊接层、芯片层、多个端子以及用于实现电路互连的多块金属片，其中，至少一部分所述金属片设置于所述芯片层异于所述第一焊接层的一侧，并与所述芯片层通过面接触的方式连接。

通过金属片代替原有绑定线作为连接单元，并采用面接触方式与芯片层连接，一方面能够提高内部芯片向两侧散热单元传热路径的横截面积，提高芯片的散热效率，进而提高器件允许的输出功率；另一方面金属片的使用延续了IGBT封装结构的层叠形式，使得封装结构更加紧凑，进而缩小封装模块的整体尺寸；此外，金属片相较绑定线具有更好的耐热性能，防止高温工作状态下发生的绑定线脱落、熔断或电迁移等失效现象。

优选地，所述金属片用于实现所述第一焊接层、所述芯片层、所述端子之间的互连，以实现代替原有绑定线的作用。需要说明的是，所述第一焊接层、所述芯片层、所述端子之间的互连包括所述第一焊接层之间、所述芯片层之间、所述端子之间、所述第一焊接层与所述芯片层之间、所述第一焊接层与所述端子之间、所述芯片层与所述端子之间的互连。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括第二焊接层，设置于所述芯片层异于所述第一焊接层一侧的所述金属片采用面接触方式与所述第二焊接层连接。第二焊接层能够固定所述金属片，同时作为所述金属片向散热装置的传热通道，该设置方式能够方便所述IGBT封装结构在双面冷却中的适用。

在本实用新型的较优技术方案中，所述芯片层内各芯片之间和/或所述第一焊接层与所述芯片层之间和/或所述第一焊接层、所述芯片层与所述端子之间的电连接通过所述金属片采用面接触方式完成。

在本实用新型的较优技术方案中，所述芯片层包括上桥芯片、下桥芯片，所述端子包括正输入端子、负输入端子、输出端子和栅极控制端子，所述第一焊接层包括上桥区和下桥区，其中：

所述上桥芯片一侧表面贴合所述第一焊接层的上桥区表面设置，其集电极和发射极中的一极与所述上桥区电连接；所述上桥芯片的另一侧表面采用面接触方式连接有所述金属片，其集电极和发射极中的另一极通过所述金属片与所述第一焊接层的下桥区电连接；

所述下桥芯片一侧表面贴合所述第一焊接层的下桥区表面设置，其集电极和发射极中的一极与所述下桥区电连接；所述下桥芯片的另一侧表面采用面接触方式连接有所述金属片，其集电极和发射极中的另一极通过所述金属片与所述负输入端子电连接。

进一步地，在本实用新型的较优技术方案中，所述第一焊接层的下桥区采用面接触方式连接有金属片，该金属片同时与所述输出端子电连接。

进一步地，在本实用新型的较优技术方案中，所述第一焊接层的上桥区采用面接触方式连接有金属片，该金属片同时与所述正输入端子电连接。

更进一步地，在本实用新型的较优技术方案中，所述栅极控制端子通过导线引出，覆盖于所述芯片层异于所述第一焊接层一侧的所述金属片具有大于所述导线直径的厚度。技术人员能够通过合理地选择不同金属片的厚度，以实现所述金属片异于与所述芯片层或所述第一焊接层连接的一侧均抵靠所述第二焊接层设置的目的，该设置方法能够进一步提高封装结构的散热效率。

在本实用新型的较优技术方案中，所述正输入端子、负输入端子、输出端子和栅极控制端子均从IGBT模块封装结构的侧面引出。通过将各功率端子、控制端子从IGBT模块封装结构的侧面引出，封装结构布局更加紧凑，进而缩小了整个逆变器的尺寸。

本实用新型还提供一种IGBT模块冷却系统，包括第一水冷面、第二水冷面以及IGBT模块封装结构，所述第一水冷面抵靠所述IGBT模块封装结构的底面设置，所述第二水冷面抵靠所述IGBT模块封装结构的顶面设置。

在本实用新型的较优技术方案中，所述第一水冷面和/或所述第二水冷面与所述IGBT模块封装结构的接触位置涂覆有散热硅脂。

附图说明

图1是IGBT半桥模块的原理示意图；

图2是IGBT半桥模块封装结构中各组件的连接关系结构示意图；

图3是现有技术中IGBT半桥模块的封装结构示意图；

图4是本实用新型一个实施方式中的IGBT模块封装结构的示意图剖视图；

图5是图4实施方式中的IGBT模块封装结构中每个半桥结构的内部接线结构示意图；

图6是图4实施方式中的IGBT模块封装结构的示意图俯视图；

图7是图4实施方式中的IGBT模块封装结构的立体结构示意图。

附图标记:

1-第一焊接层 1′-第二焊接层 101-上桥区 102-下桥区

2-芯片层 201-上桥IGBT芯片 202-下桥IGBT芯片

203-上桥FWD芯片 204-下桥FWD芯片 3-金属片

401-正输入端子 402-负输入端子 403-输出端子

5-栅极控制端子 6,6′-DBC绝缘基板 7,7′-覆铜层

8-第一水冷面 8′-第二水冷面 801-进水口 802-出水口

803-散热水道 9-树脂灌封外壳

具体实施方式

以下，一边参照附图一边大致说明本实用新型的优选实施方式。另外，本实用新型的实施方式并不限定于下述实施方式，能够采用在本实用新型的技术构思范围内的各种各样的实施方式。

正如背景技术所述，在应用双面散热技术的IGBT封装模块中，绑定线将横架在IGBT模块中的芯片上，影响芯片与散热器之间的传热，从而损害封装模块的散热效果。

为了解决现有技术的上述问题，本实施方式首先提供了一种IGBT 模块封装结构，该IGBT模块包括A相、B相和C相三个半桥IGBT模块，每个半桥IGBT模块的封装结构如图4所示。

参考图4，所述IGBT封装结构包括第一焊接层1、芯片层2、通过金属片3引出的正输入端子401、负输入端子402、输出端子403(参见图5)以及通过导线引出的栅极控制端子5。不同于现有的绑定线技术，所述芯片层2的各芯片之间、不同区域的所述芯片层2与所述第一焊接层1之间、所述芯片层2与各端子之间、所述第一焊接层1与各端子之间的互连采用金属片3完成。

覆盖于所述芯片层2上方的所述金属片3的厚度应大于引出形成所述栅极控制端子5的导线的直径，金属片3一侧与所述芯片层2电连接，另一侧抵靠或固定于所述第二焊接层1′表面，从而使得芯片层2散发的热量能够通过该金属片3传导至所述第二焊接层1′上，且由于所述金属片3与所述芯片层2及所述第二焊接层1的连接方式均为面接触连接，进而有效提高了热量向所述第二焊接层1′的传递效率，增强了封装结构的冷却效果。优选地，所述金属片3的厚度为0.5～10mm，所述金属片的材料为铜、银、铝或金。

本实施方式中还提供了一种IGBT模块冷却系统，所述IGBT模块冷却系统采用双面冷却的散热器，即第一水冷面8和第二水冷面8′，所述第一水冷面8抵靠所述IGBT模块封装结构的底面设置，所述第二水冷面8′抵靠所述IGBT模块封装结构的顶面设置，且接触位置涂覆有散热硅脂。参见图6和图7，第一水冷面8和第二水冷面8′共用流道系统，所述流道系统包括进水口801、散热水道803和出水口802，第一水冷面8和第二水冷面的散热水道803相互连通，冷却水流过整个散热水道803，对IGBT模块的进行双面冷却。

所述芯片层2散发的热量经由叠层结构向两侧的散热器传递。所述叠层结构包括焊接层(第一焊接层1、第二焊接层1′)、DBC绝缘基板6(6′)、覆铜层7(7′)等，所述叠层结构被封装在填充有硅橡胶的树脂灌封外壳9中。

为了更加清楚地描述本实用新型，同时利于本领域技术人员实现本实用新型所提供的技术方案，以下结合图5对本实施方式中所述IGBT 模块封装结构内部线路的连接方式进行描述。

本实施方式中，所述芯片层2根据其所在电路中的位置分为上桥芯片和下桥芯片，其中上桥芯片包括上桥IGBT芯片201(即图2、图3中的上半桥IGBT)、下桥IGBT芯片202(即图2、图3中的下半桥IGBT)、上桥FWD芯片203以及下桥FWD芯片204，所述端子包括正输入端子 401、负输入端子402、输出端子403以及栅极控制端子5，所述第一焊接层包括上桥区101和下桥区102，其中：

所述上桥IGBT芯片201及所述上桥FWD芯片203通过第一焊接层 1的上桥区101与所述绝缘基板7固定，且两上桥芯片与所述第一焊接层1的表面贴合，通过最大化两者之间的接触面积以实现更好的热传递效果。本实施方式中，所述上桥IGBT芯片的201上表面为发射极，下表面为集电极，所述集电极通过焊接与所述第一焊接层1的上桥区101 固定，并经由所述上桥区101与所述正输入端子401电连接；所述发射极通过焊接与所述金属片3固定，并经由该金属片3与第一焊接层1的下桥区102电连接，以连接至输出端子403。所述金属片3与所述下桥区102的连接方式依旧采用面接触方式，以提高两者之间的热传递效率，使部分芯片层1底部无法经由第一焊接层1散发的热量转而通过第二焊接层1′从顶部散发出去，通过合理化配置热量传递途径实现散热效率的提升。

同样地，所述下桥IGBT芯片202和下桥FWD芯片204通过第一焊接层1的下桥区102与所述绝缘基板7固定，且两下桥芯片与所述第一焊接层1的表面贴合以提高传热效率。下桥IGBT芯片202的上表面为集电极，下表面为发射极，所述发射极与所述第一焊接层1的下桥区102 固定，从而电连接至所述输出端子403；位于芯片层2上表面的所述集电极则通过金属片3与所述负输入端子402电连接，所述下桥IGBT芯片202上表面与所述金属片3的连接方式为面接触，以提高下桥IGBT 芯片202向所述第二焊接层1′的散热效率。

通过以上所述方式，本实施方式提供的所述IGBT封装结构通过金属片3代替原有绑定线作为连接单元，并采用面接触方式与芯片层2连接，一方面能够提高内部芯片向两侧散热单元传热路径的横截面积，提高芯片的散热效率，进而提高器件允许的输出功率；另一方面金属片3 的使用延续了IGBT封装结构的层叠形式，使得封装结构更加紧凑，进而缩小封装模块的整体尺寸；此外，金属片相较绑定线具有更好的耐热性能，防止高温工作状态下发生的绑定线脱落、熔断或电迁移等失效现象。

继续参考图6，本实施方式中，所述正输入端子401、负输入端子 402、输出端子403以及栅极控制端子5均从封装结构的侧面引出，一方面更加适配于双面冷却结构，一方面使得端子的布局更加合理，进一步缩小封装结构的整体尺寸。

至此，已经结合附图描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。