專利名稱：一種igbt模塊的電路板結(jié)構(gòu)及封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)器件領(lǐng)域，具體地說，是一種IGBT模塊封裝工藝中的電路板結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是國際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第二次革命的最具代表性的產(chǎn)品，是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域中最具有優(yōu)勢的功率器件之一。IGBT是一種具有MOS輸入、雙極輸出功能的M0S、雙極相結(jié)合的器件。結(jié)構(gòu)上，它是由成千上萬個(gè)重復(fù)單元(即元胞)組成，是一種采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造的一種大功率集成器件。IGBT廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、冶金、新能源、輸變電、汽車電子、軌道交通，家用電器等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，是中國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。IGBT 在上世紀(jì)80年代初研制成功，其性能經(jīng)過二十幾年的不斷提高和改進(jìn)，已成熟地應(yīng)用于中高頻大功率領(lǐng)域。它將MOSFET的電壓控制、控制功率小、易于并聯(lián)、開關(guān)速度高的特點(diǎn)和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強(qiáng)、飽和壓降低的特點(diǎn)集中于一身，表現(xiàn)出易驅(qū)動(dòng)、低通態(tài)壓陣、較快開關(guān)速度、高耐壓、大電流、高頻率等優(yōu)越的綜合性能。IGBT器件目前的電壓范圍已經(jīng)擴(kuò)到300至6500伏，電流范圍已經(jīng)擴(kuò)到幾安培至幾百安培，頻率范圍已經(jīng)擴(kuò)到幾百赫茲至幾十千赫。IGBT芯片根據(jù)電流應(yīng)用范圍采用混合封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的多芯片功率模塊或傳統(tǒng)的分立功率器件封裝形式。傳統(tǒng)的IGBT模塊由于采用了鋁引線和陶瓷覆銅基片的多芯片并聯(lián)的封裝方式，只能靠底層陶瓷基片散熱，其散熱性能、耐熱沖擊能力、導(dǎo)通電流能力以及可靠性均低于同等電壓等級(jí)的晶閘管(GTO)或集成門極換流晶閘管(IGCT)。IGBT的這些缺點(diǎn)限制了其在大容量電力電子換流系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來，少數(shù)IGBT廠商也嘗試采用了雙面散熱壓力接觸式(壓裝式)的IGBT封裝，但是由于仍然受到IGBT多芯片并聯(lián)的結(jié)構(gòu)限制，各個(gè)子單元之間的控制極引出存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作難度大以及精度低等問題。因此有必要針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，對(duì)IGBT模塊中的電極引出結(jié)構(gòu)做改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種IGBT模塊的電路板結(jié)構(gòu),用于IGBT模塊中各個(gè)子單元之間的控制電極引出。該電路板結(jié)構(gòu)能夠解決IGBT模塊封裝工藝中電極引出中存在的問題，從而使IGBT模塊能夠簡單、方便、準(zhǔn)確、高精度的對(duì)各個(gè)子單元控制極進(jìn)行整合、引出，完成該型號(hào)IGBT模塊的引出極的電氣連接。同時(shí)本發(fā)明還提出具有上述電路板結(jié)構(gòu)的IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種IGBT模塊的電路板結(jié)構(gòu)，包括絕緣基板、位于該絕緣基板正面的第一導(dǎo)電層和位于該絕緣基板背面的第二導(dǎo)電層，所述電路板結(jié)構(gòu)包括主干、位于該主干第二導(dǎo)電層側(cè)的多個(gè)電極引腳，以及位于該主第二導(dǎo)電層側(cè)的相互平行的發(fā)射極引出線和柵極引出線，所述第一導(dǎo)電層覆蓋該發(fā)射極引出線和至少部分主干，所述第二導(dǎo)電層覆蓋該柵極引出線、電極引腳以及主干。優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與所述絕緣基板的任何一條邊緣之間相距
O.5mm-1mmη優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的 厚度為0.05mm。優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的最小寬度為2mm-6mm。優(yōu)選的，所述發(fā)射極引出線和柵極引出線的末端設(shè)有接觸電極。同時(shí)根據(jù)本發(fā)明的另一目的提出的一種IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)并聯(lián)的IGBT子模塊、金屬底板、金屬頂板，以及如上所述的電路板，所述金屬底板連接所有IGBT子模塊的集電極，所述電路板的多個(gè)電極引腳對(duì)應(yīng)連接該多個(gè)IGBT子模塊的柵極，所述金屬頂板連接所有IGBT子模塊的發(fā)射極，該金屬頂板同時(shí)又與電路板中的第一導(dǎo)電層相接觸。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明的電路板結(jié)構(gòu)的立體示意圖，圖2是圖I中的電路板結(jié)構(gòu)的正視圖，圖3是該電路板結(jié)構(gòu)的后視圖，圖4是圖3中AA面的剖視圖，圖5是本發(fā)明IGBT封裝模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是本發(fā)明IGBT模塊的整體外觀圖，圖7是電路板與IGBT子模塊的電連接示意圖。
具體實(shí)施例方式正如背景技術(shù)中所述，現(xiàn)有的IGBT模塊封裝技術(shù)中，如何實(shí)現(xiàn)簡單有效的控制電極引出一直是個(gè)懸而未決的問題。本發(fā)明針對(duì)該問題，提出了一種在IGBT模塊封裝工藝中的電路板結(jié)構(gòu)，通過該電路板，能夠?qū)GBT模塊中的各個(gè)子模塊上的控制電極方便的引出。尤其是在平板壓裝式封裝工藝中，各個(gè)并聯(lián)的IGBT子模塊的柵極和發(fā)射極，能夠通過本發(fā)明的電路板結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確的引出到控制端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)IGBT模塊的有效電控制。下面將通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請(qǐng)參見圖I至圖4，圖I是本發(fā)明的電路板結(jié)構(gòu)的立體示意圖，圖2是圖I中的電路板結(jié)構(gòu)的正視圖，圖3是該電路板結(jié)構(gòu)的后視圖，圖4是圖3中AA面的剖視圖。如圖所示，該電路板結(jié)構(gòu)I包括絕緣基板20、位于該絕緣基板正面的第一導(dǎo)電層21和位于該絕緣基板背面的第二導(dǎo)電層22。絕緣基板20的材質(zhì)為FR系列，比如紙質(zhì)酚醛樹脂基板(PP板)、玻璃布表面+棉紙+環(huán)氧樹脂(CEM-I)、玻璃布表面+不織布+環(huán)氧樹脂(CEM-2)、玻璃布+環(huán)氧樹脂(FR-4)等。第一導(dǎo)電層21和第二導(dǎo)電層22可以通過化學(xué)沉金、噴錫、整版鍍鎳金、絲印蘭膠等方法制作在絕緣基板20的正反面。請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D1，該電路板結(jié)構(gòu)I包括主干10、位于該主干兩側(cè)的多個(gè)電極引腳11，以及位于該主干一側(cè)的相互平行的發(fā)射極引出線12和柵極引出線13。主干10的形狀為長條形，電極引腳11分布在長條形主干10的兩側(cè)，使整個(gè)電路板的主體形狀看上去像蜈蚣形。這些電極引腳11的數(shù)量和分布式整個(gè)IGBT模塊中的子模塊的數(shù)量而定，其作用就是與各個(gè)子模塊中的柵極電性連接，并通過柵極引出線13，連接至外部的電信號(hào)輸入裝置上，從而將外部輸出的電信號(hào)輸入到每個(gè)IGBT子模塊中，實(shí)現(xiàn)電控制。發(fā)射極引出線12和柵極引出線13分別設(shè)有接觸電極121、131，該接觸電極的作用是與外部的電信號(hào)輸入裝置進(jìn)行連接，通常在整個(gè)IGBT模塊完成封裝之后，這兩個(gè)電極在封裝的外側(cè)以插孔或插頭的形式出現(xiàn)。
請(qǐng)參見圖2，第一導(dǎo)電層21覆蓋該發(fā)射極引出線12和至少部分主干10，對(duì)于第一導(dǎo)電層21，其作用主要是與整個(gè)IGBT模塊封裝中的金屬頂板連接而用，由于每個(gè)IGBT子模塊的發(fā)射極都與該金屬頂板層接觸，因此該第一導(dǎo)電層21實(shí)際連接在所有子模塊的發(fā)射極上，并通過發(fā)射極引出線12連接至外部的電信號(hào)輸入裝置上?？紤]到電接觸的可靠度，因此該第一導(dǎo)電層可以制作在絕緣極板10的全部正面上，這樣保證了與金屬頂板層的有效接觸。但是從材料成本角度考慮，只需要覆蓋發(fā)射極引出線12和至少部分主干10所在的區(qū)域即可。較優(yōu)地，在圖2所示的實(shí)施例中，該第一導(dǎo)電層21覆蓋了全部的主干10、電極引腳11以及發(fā)射極引出線12上，而在柵極引出線13的正面，則沒有覆蓋。這樣既保證了與金屬頂板的有效接觸，同時(shí)又可以避免在柵極引出線13上與背面的第二導(dǎo)電層形成擊穿。請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D3，第二導(dǎo)電層22覆蓋該柵極引出線13、電極引腳11以及主干10。第二導(dǎo)電層22的作用是將各個(gè)IGBT子模塊的柵極通過柵極引出線13與外部的電信號(hào)輸入裝置連通。因此第二導(dǎo)電層22覆蓋各個(gè)電極引腳11、主干10的全部或部分，以及柵極引出線13，確保每個(gè)IGBT子模塊的柵極都能保持電連接。優(yōu)選地，為了避免與發(fā)射極之間的電擊穿，在發(fā)射極引出線12的背面則不需要覆蓋第二導(dǎo)電層22。請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D4，對(duì)于第一導(dǎo)電層21和第二導(dǎo)電層22，為了避免電擊穿，在任何一條靠近絕緣基板10邊緣處，都要留出一定的間隔距離d。這段間隔距離d行程了兩層導(dǎo)電層之間的電中止區(qū)域。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該間隔距離d的范圍為O.第一導(dǎo)電層21和第二導(dǎo)電層22的最小寬度影響了導(dǎo)電層的導(dǎo)電能力。該最小寬度的定義是指所有覆蓋導(dǎo)電層的區(qū)域中，兩條相互毗鄰的平行邊之間的距離。比如在電極引腳11或發(fā)射極引出線12或柵極引出線13中，由于相對(duì)主干10這三個(gè)區(qū)域的面積相對(duì)比較窄小，因此第一導(dǎo)電層21和第二導(dǎo)電層22的最小寬度往往產(chǎn)生在這些引腳或引出線的窄邊上。通常導(dǎo)電層的最小寬度主要由導(dǎo)電層與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)導(dǎo)電層厚度為O. 05mm、寬度為l_15mm時(shí)。通過2A的電流，溫度不會(huì)高于3°C，因此，導(dǎo)電層寬度為1.5_即可滿足要求，只要允許，還是盡可能用寬線，本發(fā)明優(yōu)選的電路板導(dǎo)電層寬度為2mm-6mm,完全滿足要求。請(qǐng)參見圖5至圖7，圖5是本發(fā)明IGBT封裝模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是本發(fā)明IGBT模塊的整體外觀圖，圖7是電路板與IGBT子模塊的電連接示意圖。如圖所示，該IGBT封裝模塊包括電路板I、多個(gè)并聯(lián)的IGBT子模塊2，金屬底板3和金屬頂板4。每個(gè)IGBT內(nèi)部包括多個(gè)IGBT器件，這些器件的發(fā)射極、柵極和集電極分別連接在一起并通過半導(dǎo)體工藝形成一塊完整的芯片。在封裝時(shí)，每個(gè)IGBT子模塊焊接在金屬底板3上，并使所有IGBT子模塊的集電極與金屬底板3連接，形成共有的集電極31。而每個(gè)IGBT子模塊的發(fā)射極則與金屬頂板4相接觸，該金屬頂板4同時(shí)又與電路板I中的第一導(dǎo)電層21相接觸，使所有的發(fā)射極通過發(fā)射極引出線12連接到封裝模塊外表中的發(fā)射極控制接口 32上。IGBT子模塊2的數(shù)量與電路板電極引腳11的數(shù)量相對(duì)應(yīng)，每個(gè)IGBT子模塊分設(shè)于電路板主干10的兩側(cè)，其柵極位置同時(shí)對(duì)應(yīng)電極引腳11的位置。如圖7所示，每個(gè)IGBT子模塊2的柵極23通過連接針24連接到電極引腳11背面的第二導(dǎo)電層21上，并通過柵極引出線13連接到封裝模塊外表中的柵極控制接口 33上。

最后通過外殼和絕緣膠水完整整個(gè)IGBT模塊的封裝，形成如圖6所示的IGBT封裝元件。外部的電信號(hào)輸入裝置，只需要將載有發(fā)射極控制信號(hào)和柵極控制信號(hào)的接頭分別連接到上述的發(fā)射極控制接口 32和柵極控制接口 33上，就能實(shí)現(xiàn)上述IGBT封裝元件的電控制。綜上所述，本發(fā)明提出了一種IGBT模塊封裝工藝中的電路板結(jié)構(gòu)，該電路板通過對(duì)每個(gè)IGBT子模塊的柵極和發(fā)射極的引出，達(dá)到實(shí)現(xiàn)IGBT模塊電控制的目的。由于該電路板本身具有結(jié)構(gòu)簡單，連接方便的特點(diǎn)，使得IGBT模塊能夠簡單、方便、準(zhǔn)確、高精度的對(duì)各個(gè)子單元控制極進(jìn)行整合、引出，完成該型號(hào)IGBT模塊的引出極的電氣連接。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種IGBT模塊的電路板結(jié)構(gòu),包括絕緣基板、位于該絕緣基板正面的第一導(dǎo)電層和位于該絕緣基板背面的第二導(dǎo)電層，其特征在于所述電路板結(jié)構(gòu)包括主干、位于該主干兩側(cè)的多個(gè)電極引腳，以及位于該主干一側(cè)的相互平行的發(fā)射極引出線和柵極引出線，所述第一導(dǎo)電層覆蓋該發(fā)射極引出線和主干，所述第二導(dǎo)電層覆蓋該柵極引出線、電極引腳以及主干。
2.如權(quán)利要求I所述的電路板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與所述絕緣基板的任何一條邊緣之間相距O.
3.如權(quán)利要求I所述的電路板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的厚度為 O. 05mm。
4.如權(quán)利要求I所述的電路板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的最小寬度為2mm-6mm。
5.如權(quán)利要求I所述的電路板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述發(fā)射極引出線和柵極引出線的末端設(shè)有接觸電極。
6.一種IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于包括多個(gè)并聯(lián)的IGBT子模塊、金屬底板、金屬頂板，以及如權(quán)利要求I所述的電路板，所述金屬底板連接所有IGBT子模塊的集電極，所述電路板的多個(gè)電極引腳對(duì)應(yīng)連接該多個(gè)IGBT子模塊的柵極，所述金屬頂板連接所有IGBT子模塊的發(fā)射極，該金屬頂板同時(shí)又與電路板中的第一導(dǎo)電層相接觸。
全文摘要
一種IGBT模塊的電路板結(jié)構(gòu)及封裝結(jié)構(gòu)，包括主干、位于該主干兩側(cè)的多個(gè)電極引腳，以及位于該主干一側(cè)的相互平行的發(fā)射極引出線和柵極引出線。該電路板通過對(duì)每個(gè)IGBT子模塊的柵極和發(fā)射極的引出，達(dá)到實(shí)現(xiàn)IGBT模塊電控制的目的。由于該電路板本身具有結(jié)構(gòu)簡單，連接方便的特點(diǎn)，使得IGBT模塊能夠簡單、方便、準(zhǔn)確、高精度的對(duì)各個(gè)子單元控制極進(jìn)行整合、引出，完成該型號(hào)IGBT模塊的引出極的電氣連接。
文檔編號(hào)H05K1/18GK102843862SQ20121032335
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者李先亮, 張紅衛(wèi) 申請(qǐng)人:西安永電電氣有限責(zé)任公司