本實(shí)用新型涉及絕緣柵雙極晶體管的封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊。

背景技術(shù)：

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor—IGBT)結(jié)合了MOSFET和BJT兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有電壓驅(qū)動(dòng)、通態(tài)壓降低、電流容量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、電力、軍事、航空以及電子信息等領(lǐng)域。焊接式IGBT基于鍵合線(xiàn)導(dǎo)電的形式，將多個(gè)芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大功率，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟。壓接式IGBT結(jié)合了GTO和IGBT兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有雙面散熱、高可靠性以及短路失效等特點(diǎn)，非常適合于電力系統(tǒng)、船舶等串聯(lián)應(yīng)用領(lǐng)域。

對(duì)于焊接型IGBT，通過(guò)多個(gè)芯片并聯(lián)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流，但是由于其封裝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致功率等級(jí)太大時(shí)，芯片之間電流分布存在很大的不一致性，這是由于封裝幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，此外單面散熱的封裝結(jié)構(gòu)，不能夠像壓接型IGBT器件一樣方便地串聯(lián)。壓接式IGBT，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的密集并聯(lián)，但是對(duì)芯片的壓力一致性要求很高，且器件在運(yùn)行時(shí)需要很大的鉗位壓力，從而對(duì)系統(tǒng)提出了很高的機(jī)械需求。

IGBT的概念自1982年提出以來(lái)，焊接式的IGBT目前已經(jīng)廣泛地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，大功率的焊接式IGBT器件生產(chǎn)商主要有三菱、英飛凌、富士電機(jī)、中國(guó)中車(chē)等?，F(xiàn)有的兩種主流壓接形式為ABB公司推出的StakPak壓接型IGBT和Westcode公司的Press Pack IGBT。公開(kāi)號(hào)為CN1596472A的實(shí)用新型專(zhuān)利公開(kāi)了ABB公司的一種大功率半導(dǎo)體模塊，其壓接通過(guò)碟簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，有利于實(shí)現(xiàn)壓力分布的均勻特性。公開(kāi)號(hào)為US6678163B1的實(shí)用新型專(zhuān)利公開(kāi)了Westcode公司的壓接型IGBT封裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于雙面散熱，但是垂直于芯片表面方向上全部為硬壓接的方式，對(duì)于芯片、鉬片、銀片的厚度以及凸臺(tái)高度的一致性要求極高，因?yàn)榧?xì)微的厚度將會(huì)導(dǎo)致壓力的極大差別，從而造成熱阻差別太大或者直接由于過(guò)大壓力造成芯片的物理?yè)p壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿(mǎn)足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本實(shí)用新型提供了一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

所述大功率IGBT模塊包括功率子單元(1)、金屬電極板(3)和外部管殼(4)；

所述金屬電極板(3)設(shè)置在所述外部管殼(4)的底部；

所述外部管殼(4)包括兩列方形框架，每列方形框架包括多個(gè)順次排列的方形框架；所述兩列方形框架之間留有空間形成一個(gè)條狀框架；

所述功率子單元(1)設(shè)置在所述方形框架內(nèi)且與所述金屬電極板(3)緊密接觸，其包括金屬端蓋(11)、柵極PCB板(17)、輔助柵極PCB板(2)和多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(13)；

所述輔助柵極PCB板(2)設(shè)置在所述條狀框架內(nèi)，其通過(guò)所述方形框架的通孔(5)與柵極PCB板(17)連接；所述金屬端蓋(11)、金屬電極板(3)和柵極PCB板(17)分別與所述功率半導(dǎo)體芯片(13)的集電極、發(fā)射極和柵極電氣連接。

本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的優(yōu)選實(shí)施例為：所述功率子單元(1)還包括絕緣基板(15)、導(dǎo)電金屬塊(16)、和子單元框架(18)；

所述絕緣基板(15)的上表面敷設(shè)有方形銅層(14)，其表面積小于所述絕緣基板(15)的表面積；所述方形銅層(14)的四個(gè)邊緣均等間距布置多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(13)，所述方形銅層(14)的中央設(shè)置一個(gè)銅柱(141)，該銅柱(141)的另一端與金屬端蓋(11)焊接或者燒接；

所述導(dǎo)電金屬塊(16)為具有一方形凹槽的方形金屬塊，其底部與所述金屬電極板(3)緊密接觸；所述方形凹槽內(nèi)由下至上順次設(shè)置有絕緣基板(15)、方形銅層(14)和功率半導(dǎo)體芯片(13)；

所述子單元框架(18)套設(shè)在所述導(dǎo)電金屬塊(16)的外側(cè)，用于支撐所述金屬端蓋(11)與所述金屬電極板(3)；所述柵極PCB板設(shè)置在所述子單元框架(18)與導(dǎo)電金屬塊(16)之間。

本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的優(yōu)選實(shí)施例為：所述功率半導(dǎo)體芯片(13)的集電極一側(cè)與所述方形銅層(14)接觸，其發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極鍵合線(xiàn)(121)與所述導(dǎo)電金屬塊(16)連接，其柵極通過(guò)柵極鍵合線(xiàn)(12)與所述柵極PCB板連接；

所述功率半導(dǎo)體芯片(13)的集電極、方形銅層(14)、銅柱(141)和金屬端蓋(11)順次電氣連接；

所述功率半導(dǎo)體芯片(13)的發(fā)射極、發(fā)射極鍵合線(xiàn)(121)、導(dǎo)電金屬塊(16)和金屬電極板(3)順次電氣連接；

所述功率半導(dǎo)體芯片(13)的柵極、柵極鍵合線(xiàn)(12)、柵極PCB板(17)和輔助柵極PCB板(2)順次電氣連接。

本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的優(yōu)選實(shí)施例為：

所述金屬電極板(3)的邊緣設(shè)置有一個(gè)輔助發(fā)射極端子，該輔助發(fā)射極端子與所述輔助柵極PCB板(2)引出所述條狀框架外的部分相對(duì)應(yīng)。

本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的優(yōu)選實(shí)施例為：

所述功率子單元(1)內(nèi)部填充透明硅膠。

本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的優(yōu)選實(shí)施例為：

所述外部管殼(4)采用陶瓷或者高強(qiáng)度復(fù)合材料。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型提供的一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊，既有利于功率半導(dǎo)體器件的串聯(lián)，同時(shí)不需要太大的鉗位壓力，降低了功率半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求；

2、本實(shí)用新型提供的一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊，可以根據(jù)所需電流等級(jí)選擇合適的功率半導(dǎo)體器件并聯(lián)數(shù)量，從而可以靈活調(diào)整大功率IGBT模塊的功率等級(jí)；

3、本實(shí)用新型提供的一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊，相對(duì)于壓接型IGBT器件而言，其壓力不需直接施加在功率半導(dǎo)體芯片上，因此不需考慮施加壓力是否一致的問(wèn)題；

4、本實(shí)用新型提供的一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊，相對(duì)于焊接型IGBT器件而言，可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱且每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的電流一致性更好。

附圖說(shuō)明

圖1：本實(shí)用新型實(shí)施例中一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊示意圖；

圖2：本實(shí)用新型實(shí)施例中一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊分解示意圖；

圖3：本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部視圖；

圖4：本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部俯視圖；

圖5：本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部剖視圖；

圖6：本實(shí)用新型實(shí)施例中柵極PCB板與輔助柵極PCB板布局圖；

其中，1：功率子單元；11：金屬端蓋；12：柵極鍵合線(xiàn)；121：發(fā)射極鍵合線(xiàn)；13：功率半導(dǎo)體芯片；14：方形銅層；141：銅柱；15：絕緣基板；16：導(dǎo)電金屬塊；17：柵極PCB板；18：子單元框架；2：輔助柵極PCB板；3：金屬電極板；31：輔助發(fā)射極端子；4：外部管殼；5：通孔。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

下面分別結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊示意圖，圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊分解示意圖，如圖1和2所示，本實(shí)施例中大功率IGBT模塊包括功率子單元1、金屬電極板3和外部管殼4。其中，

金屬電極板3設(shè)置在外部管殼4的底部。

外部管殼4包括兩列方形框架，每列方形框架包括多個(gè)順次排列的方形框架，同時(shí)兩列方形框架之間留有空間形成一個(gè)條狀框架。本實(shí)施例中外部管殼4采用陶瓷或者高強(qiáng)度復(fù)合材料。

功率子單元1設(shè)置在方形框架內(nèi)且與金屬電極板3緊密接觸，本實(shí)施例中功率子單元1內(nèi)部填充用于電氣絕緣的透明硅膠。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部視圖，圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部俯視圖，如圖3和4所示，本實(shí)施例中功率子單元1包括金屬端蓋11、柵極PCB板17、輔助柵極PCB板3、多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片13、絕緣基板15、導(dǎo)電金屬塊16、和子單元框架18。金屬端蓋11、金屬電極板3和柵極PCB板17分別與功率半導(dǎo)體芯片13的集電極、發(fā)射極和柵極電氣連接。其中，

1、輔助柵極PCB板

本實(shí)施例中輔助柵極PCB板2設(shè)置在外部管殼4的條狀框架內(nèi)，其通過(guò)方形框架的通孔5與柵極PCB板17連接。

2、絕緣基板

本實(shí)施例中絕緣基板15的上表面敷設(shè)有方形銅層14，其表面積小于絕緣基板15的表面積，從而有足夠的空間可以保證絕緣的要求。方形銅層14的四個(gè)邊緣均等間距布置多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片13，中央設(shè)置一個(gè)銅柱141，該銅柱141的另一端與金屬端蓋11焊接或者燒接。

3、導(dǎo)電金屬塊

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中功率子單元內(nèi)部剖視圖，如圖所示，本實(shí)施例中導(dǎo)電金屬塊16為具有一方形凹槽的方形金屬塊，其底部與金屬電極板3緊密接觸。方形凹槽內(nèi)由下至上順次設(shè)置有絕緣基板15、方形銅層14和功率半導(dǎo)體芯片13。

4、子單元框架

本實(shí)施例中子單元框架18套設(shè)在導(dǎo)電金屬塊16的外側(cè)，用于支撐金屬端蓋11與金屬電極板3。

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中柵極PCB板與輔助柵極PCB板布局圖，如圖所示，本實(shí)施例中柵極PCB板設(shè)置在子單元框架18與導(dǎo)電金屬塊16之間，輔助柵極PCB板2引出條狀框架外一部分作為大功率IGBT模塊的柵極端子。同時(shí)，如圖1所示，本實(shí)施例中金屬電極板3的邊緣設(shè)置有一個(gè)輔助發(fā)射極端子31，該輔助發(fā)射極端子31與輔助柵極PCB板2引出條狀框架外的部分相對(duì)應(yīng)。

如圖4和5所示，本實(shí)施例中功率半導(dǎo)體芯片13的集電極一側(cè)與方形銅層14接觸，其發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極鍵合線(xiàn)121與導(dǎo)電金屬塊16連接，其柵極通過(guò)柵極鍵合線(xiàn)12與柵極PCB板連接。其中，

功率半導(dǎo)體芯片13的集電極、方形銅層14、銅柱141和金屬端蓋11順次電氣連接，功率半導(dǎo)體芯片13的發(fā)射極、發(fā)射極鍵合線(xiàn)121、導(dǎo)電金屬塊16和金屬電極板3順次電氣連接，功率半導(dǎo)體芯片13的柵極、柵極鍵合線(xiàn)12、柵極PCB板17和輔助柵極PCB板2順次電氣連接。

本實(shí)施例中功率半導(dǎo)體芯片13包括IGBT芯片和Diode芯片，二者的數(shù)量比例可以提前預(yù)置。功率半導(dǎo)體芯片13等間距設(shè)置在方形銅層14的四個(gè)邊緣，不僅限于圖4所示的每個(gè)邊緣設(shè)置4個(gè)功率半導(dǎo)體芯片13，可以是任意數(shù)量的功率半導(dǎo)體芯片13，也可以是以方形銅層14的中心軸為對(duì)稱(chēng)軸呈圓形分布。

本實(shí)用新型實(shí)施例中一種便于串聯(lián)使用的大功率IGBT模塊，既有利于功率半導(dǎo)體器件的串聯(lián)，同時(shí)不需要太大的鉗位壓力，降低了功率半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。