Igbt模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體封裝技術(shù)，特別涉及一種IGBT模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣棚.雙極型晶體管)，是由 BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半場效晶體管)的高輸入阻抗和GTR(Giant Transistor，巨型晶體管)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；M0SFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
[0003]IGBT模塊應(yīng)用在電動汽車驅(qū)動逆變器中，為了滿足車輛駕駛過程中頻繁的短時(shí)加速需求，需要IGBT有很強(qiáng)的峰值電流能力。一般來說，IGBT需要有2?30s的峰值電流能力，此時(shí)的電流能力是其額定電流能力的2?3倍甚至以上，而在車用的大部分時(shí)間里，對IGBT電流能力的要求又比較低。因此，為了滿足車用逆變器這種特殊的應(yīng)用條件，要求IGBT的額定電流較小，但同時(shí)有較大的峰值電流能力。
[0004]目前汽車級IGBT模塊較為典型的設(shè)計(jì)方法是從工業(yè)級IGBT模塊的DBC (directbonding copper，直接鍵合銅)結(jié)構(gòu)(薄銅+陶瓷+薄銅)改進(jìn)而來的厚銅方案，如圖1所示，通過增加IGBT銅基板的厚度(約2?5_)來增大熱容、降低熱阻，從而提升IGBT的峰值電流能力。但是由于厚銅與芯片之間隔了一個(gè)DBC結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致厚銅對IGBT熱容的提升效果非常有限，另外，該封裝方法的層數(shù)比較多，芯片的實(shí)際散熱路徑為:芯片一一焊接層一一薄銅一一陶瓷(AL203)—一薄銅一一焊接層一一厚銅一一導(dǎo)熱硅脂一一水冷板，導(dǎo)致芯片散熱路徑太長，影響其散熱效果，而且散熱路徑中的陶瓷和導(dǎo)熱硅脂的散熱性能都非常差，這也使得IGBT的散熱能力大打折扣。此外，IGBT的發(fā)射極通過綁定線引出，可靠性和壽命無法得到有效保證。而在典型DBC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，集成Pin-Fin底板結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，可以避免DBC結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)熱硅脂這一薄弱環(huán)節(jié)，可在一定程度上改善IGBT的熱容和熱阻，同時(shí)將綁定線改進(jìn)為綁定帶，可靠性得到提升，但是它仍無法解決IGBT芯片的散熱路徑太長的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是增加IGBT模塊的熱容，提升IGBT模塊的短時(shí)峰值電流能力；同時(shí)大大降低熱阻，從而在相同的電流需求下，只需要使用更小的芯片面積即可滿足要求，有效降低成本。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供的IGBT模塊，包括Pin-Fin銅基板、IGBT裸芯片；
[0007]所述Pin-Fin銅基板，底面及側(cè)面燒結(jié)有一層絕緣層；
[0008]所述IGBT裸芯片，集電極面直接焊接在所述Pin-Fin銅基板的頂面上，發(fā)射極通過銅排或綁定線引出。
[0009]較佳的，通過綁定線將IGBT裸芯片的控制極引出。
[0010]較佳的，所述Pin-Fin銅基板，厚度為2mm?5mm，Pin-Fin針長度為5mm?10mm。
[0011]較佳的，所述絕緣層為陶瓷，厚度為200 μπι?1000 μm。
[0012]較佳的，所述銅排，厚度為0.5mm?3mm。
[0013]本實(shí)用新型的IGBT模塊，直接將IGBT裸芯片C極焊接在Pin-Fin銅基板頂面上，同時(shí)在Pin-Fin銅基板底面及側(cè)面覆蓋一層絕緣層來保證絕緣性能，由于IGBT裸芯片直接跟一塊很大的銅基板接觸，銅層更厚，面積也更大，可以極大地提高IGBT的熱容，因而能夠顯著地提高IGBT短時(shí)的峰值電流能力；同時(shí)由于減少了 IGBT封裝的層數(shù)，IGBT芯片的散熱路徑中只有芯片--銅基板--絕緣層，最大程度上減小了散熱路徑中的薄弱環(huán)節(jié)，縮短了散熱路徑，并增大了熱量擴(kuò)散面積，熱阻得到顯著降低，大大地提高了 IGBT的散熱能力；由于IGBT芯片可通過Pin-Fin銅基板快速將熱量散發(fā)出去，IGBT芯片的通流能力得到提升，從而在相同的電流能力之下，該封裝的IGBT模塊可以使用更小面積的IGBT芯片即可滿足要求，IGBT芯片成本得到降低。由于絕緣材料相對較低的熱導(dǎo)率，它成為所有IGBT封裝結(jié)構(gòu)散熱的短板，但是本實(shí)用新型提出的方案將絕緣層覆蓋在銅基板外表面，這種處理方式的優(yōu)勢是:熱量先通過Pin-Fin銅底板迅速向四周擴(kuò)散，待到達(dá)絕緣層時(shí)熱量的散熱面積非常大，這在很大程度上彌補(bǔ)了絕緣材料低熱導(dǎo)率的短板，從而在保證IGBT絕緣性能的同時(shí)不犧牲其優(yōu)良的散熱性能。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面對本實(shí)用新型所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0015]圖1是汽車級IGBT模塊的典型DBC封裝方案示意圖；
[0016]圖2是現(xiàn)有一種改進(jìn)的DBC結(jié)構(gòu)并集成Pin-Fin底板示意圖；
[0017]圖3是本實(shí)用新型的IGBT模塊一實(shí)施例示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0019]實(shí)施例一
[0020]IGBT模塊，如圖3所示，包括Pin-Fin銅基板、IGBT裸芯片(die)；
[0021]所述Pin-Fin銅基板，底面及側(cè)面燒結(jié)有一層絕緣層；
[0022]所述IGBT裸芯片(die)，C極(集電極)面直接焊接在所述Pin-Fin銅基板的頂面上，E極(發(fā)射極)通過銅排或綁定線引出。
[0023]實(shí)施例一的IGBT模塊，直接將IGBT裸芯片C極焊接在Pin-Fin銅基板頂面上，同時(shí)在Pin-Fin銅基板底面及側(cè)面覆蓋一層絕緣層來保證絕緣性能，由于IGBT裸芯片直接跟一塊很大的銅基板接觸，銅層更厚，面積也更大，可以極大地提高IGBT的熱容，因而能夠顯著地提高IGBT短時(shí)的峰值電流能力；同時(shí)由于減少了 IGBT封裝的層數(shù)，IGBT芯片的散熱路徑中只有芯片--銅基板--絕緣層，最大程度上減小了散熱路徑中的薄弱環(huán)節(jié)，縮短了散熱路徑，并增大了熱量擴(kuò)散面積，熱阻得到顯著降低，大大地提高了 IGBT的散熱能力；由于IGBT芯片可通過Pin-Fin銅基板快速將熱量散發(fā)出去，IGBT芯片的通流能力得到提升，從而在相同的電流能力之下，該封裝的IGBT模塊可以使用更小面積的IGBT芯片即可滿足要求，IGBT芯片成本得到降低。實(shí)施例一的IGBT模塊，高熱容低熱阻，適用于電動汽車。
[0024]實(shí)施例一的IGBT模塊，將絕緣層覆蓋在Pin-Fin銅基板底面及側(cè)面，熱量先通過Pin-Fin銅基板迅速向底面及側(cè)面擴(kuò)散，待到達(dá)絕緣層時(shí)散熱面積已非常大，這在很大程度上彌補(bǔ)了絕緣層材料低熱導(dǎo)率的短板，從而在保證IGBT絕緣性能的同時(shí)不犧牲其優(yōu)良的散熱性能。
[0025]較佳的，所述IGBT裸芯片(die)上半橋的C極和下半橋的E極連接的銅排分別作為所述IGBT模塊的正端子T+、負(fù)端子T-引出。
[0026]較佳的，通過綁定線將IGBT裸芯片(die)的控制極引出，如果IGBT裸芯片(die)有其他非功率管腳，也一并通過綁定線的方式引出。
[0027]較佳的，所述Pin-Fin銅基板，厚度為2mm?5mm，Pin-Fin針長度為5mm?10mm。
[0028]較佳的，所述絕緣層為厚度為200 μπι?ΙΟΟΟμπι的陶瓷，例如厚度為400 μπι陶
bL.0
[0029]較佳的，所述銅排，厚度為0.5mm?3mm。
[0030]實(shí)施例二
[0031]實(shí)施例一的IGBT模塊的封裝方法，包括以下步驟:
[0032]—.在夾具上準(zhǔn)備IGBT焊接所用的Pin-Fin銅基板；
[0033]二.在所述Pin-Fin銅基板的底面及側(cè)面燒結(jié)一層絕緣層，以保證絕緣性能；
[0034]三.將IGBT裸芯片(die)的C極(集電極)面焊接在所述Pin-Fin銅基板的頂面上；
[0035]四.通過銅排或綁定線引出IGBT裸芯片的E極(發(fā)射極);
[0036]通過綁定線將IGBT裸芯片的控制極引出；如果IGBT裸芯片有其他非功率管腳，此時(shí)也一并通過綁定線的方式引出；
[0037]將上半橋的Pin-Fin銅基板與一銅排或綁定線的一端焊接在一起，該銅排或綁定線的另一端與IGBT模塊的正端子T+相連；
[0038]將引出上半橋IGBT裸芯片的發(fā)射極的銅排或綁定線的另一端，同下半橋的Pin-Fin銅基板焊接在一起；
[0039]將引出將下半橋IGBT裸芯片發(fā)射極的銅排或綁定線的另一端，與IGBT模塊的負(fù)端子T-連接；
[0040]五.對IGBT模塊進(jìn)行塑封；
[0041]六.一個(gè)IGBT模塊封裝完成。
[0042]較佳的，所述Pin-Fin銅基板，厚度為2mm?5mm，Pin-Fin針長度為5mm?1mm;
[0043]所述銅排，厚度為0.5mm?3mm。
[0044]較佳的，步驟一中的所述Pin-Fin銅基板，上表面進(jìn)行防腐處理，以利于焊接。
[0045]較佳的，步驟二中，在所述Pin-Fin銅基板的底面及側(cè)面燒結(jié)的一層厚度為200 μ m?1000 μ m(例如400um)的陶瓷作為絕緣層。
[0046]較佳的，步驟四中，焊接工藝采用超聲波焊。
[0047]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種IGBT模塊，包括Pin-Fin銅基板、IGBT裸芯片；其特征在于， 所述Pin-Fin銅基板，底面及側(cè)面燒結(jié)有一層絕緣層； 所述IGBT裸芯片，集電極面直接焊接在所述Pin-Fin銅基板的頂面上，發(fā)射極通過銅排或綁定線引出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT模塊，其特征在于， 通過綁定線將IGBT裸芯片的控制極引出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT模塊，其特征在于， 所述Pin-Fin銅基板，厚度為2mm?5mm，Pin-Fin針長度為5_?10mnin4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT模塊，其特征在于， 所述絕緣層為陶瓷，厚度為200 μ m?1000 μ m。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT模塊，其特征在于， 所述銅排，厚度為0.5mm?3mm。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種IGBT模塊，包括Pin-Fin銅基板、IGBT裸芯片；Pin-Fin銅基板底面及側(cè)面燒結(jié)有一層絕緣層；IGBT裸芯片集電極面直接焊接在所述Pin-Fin銅基板的頂面上，發(fā)射極通過銅排或綁定線引出。本實(shí)用新型的IGBT模塊，由于IGBT裸芯片直接跟一塊很大的銅基板接觸，銅層更厚，面積也更大，可以極大地提高IGBT的熱容，因而能夠顯著地提高IGBT短時(shí)的峰值電流能力；同時(shí)由于減少了IGBT封裝的層數(shù)，縮短了散熱路徑，并增大了熱量擴(kuò)散面積，熱阻得到顯著降低，大大地提高了IGBT的散熱能力，使IGBT芯片的通流能力得到提升，從而在該封裝下，只需使用更小的芯片面積即可實(shí)現(xiàn)相同的電流能力，降低了IGBT芯片成本。
【IPC分類】H01L23/367, H01L23/373, H01L29/739, H01L21/60
【公開號】CN204991689
【申請?zhí)枴緾N201520627353
【發(fā)明人】張興春, 于夢園
【申請人】聯(lián)合汽車電子有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年8月19日