專利名稱：一種igbt功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種IGBT功率模塊，該IGBT功率模塊是制備壓接式超高壓、超大功率IGBT模組的基本單元。
背景技術(shù)：
絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)模塊可以由一個(gè)IGBT芯片和一個(gè)FWD芯片組成，也可以由多個(gè)IGBT芯片和FWD芯片組成，以制備不同功率等級(jí)和電路結(jié)構(gòu)的IGBT模塊。電路如圖I所示IGBT功率模塊由一個(gè)IGBT和一個(gè)續(xù)流二極管(FWD)組成；當(dāng)模塊需要更大的輸出功率，而單個(gè)IGBT芯片又無(wú)法滿足使用要求時(shí)，通常必須將多個(gè)圖I所示的功率單元進(jìn)行并聯(lián)，如圖2所示并聯(lián)以后的IGBT功率單元，可以作為模塊制造的基本單元，進(jìn)一 步連接成所需的電路結(jié)構(gòu)。制造IGBT功率模塊的關(guān)鍵技術(shù)之一是超聲波鍵合，它是IGBT發(fā)射極、FWD陽(yáng)極和外部電路連接的主要方式。由于有限的鋁線線徑，為了增加電流承載能力，IGBT模塊通常必須鍵合多根鋁線通過(guò)并聯(lián)來(lái)獲得大電流輸出；雖然超聲波鋁線鍵合是目前制造IGBT功率模塊的主流技術(shù)，但是它限制了制造疊層式模塊的可能性，而且鋁線本身存在較大的分布電感，也限制了模塊性能的發(fā)揮。正面可焊IGBT芯片的出現(xiàn)，為疊層式IGBT模塊的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于不再采用鋁線鍵合，可以使模塊內(nèi)部的分布電感大為降低。疊層式IGBT模塊使雙面散熱成為可能，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以使同等的IGBT輸出更大的電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種IGBT功率模塊，該功率模塊中IGBT芯片和FWD芯片的連接采用疊層式，可以雙面散熱，并可以獲得更高的功率密度，從而為功率系統(tǒng)的小型化提供了更多的空間。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種IGBT功率模塊，由底板、IGBT芯片和FWD芯片組成，所述IGBT芯片反面的集電極和所述IGBT芯片反面的陰極分別通過(guò)第一焊料層連接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的發(fā)射極通過(guò)第二焊料層連接有第一導(dǎo)電層，F(xiàn)WD芯片正面的陽(yáng)極通過(guò)第二焊料層連接有第二導(dǎo)電層，所述IGBT芯片、第二焊料層和第一導(dǎo)電層的層疊高度，與所述FWD芯片、第二焊料層和第二導(dǎo)電層的層疊高度相同，發(fā)射極表面電極通過(guò)第三焊接層連接與所述第一和第二導(dǎo)電層之上，并將所述第一、第二導(dǎo)電層以及外部的信號(hào)端子和功率端子連接在一起。上述技術(shù)方案中，所述底板可以為金屬板，金屬板的熱膨脹系數(shù)盡量接近芯片的熱膨脹系數(shù)，可以滿足以上要求的有三種金屬材料，其一為鑰金屬，其二為銅一鑰和銅一鎢合金。底板的厚度可以選擇在I. O毫米至5. O毫米的范圍。所述第一和第二導(dǎo)電層采用和所述金屬板相同的材料。所述第一和第二導(dǎo)電層厚度可以選擇在O. 5毫米至3. O毫米的范圍，優(yōu)選為O. 5毫米至I. 5毫米。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，為了方便焊接，所述金屬板表面鍍有鎳層或鎳銀合金層。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述表面電極為純銅層。上述技術(shù)方案中，所述底板還可以是陶瓷覆銅基板，所述陶瓷覆銅基板由從上至下層疊的上表面銅層、陶瓷絕緣層和表面銅層組成。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述陶瓷絕緣層的厚度，根據(jù)耐壓要求選取，材料可采用絕緣和導(dǎo)熱性良好的氧化鋁、氮化鋁或者氮化硅。陶瓷絕緣層厚度可以選在O. 3_至3_之間。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述IGBT芯片和所述FWD芯片之間的空隙，灌裝有 絕緣材料。通過(guò)灌裝絕緣材料，例如環(huán)氧樹(shù)脂，來(lái)進(jìn)一步降低芯片應(yīng)力，提高功率單元的絕緣耐壓能力。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述陶瓷覆銅基板的周邊延伸出一定寬度的陶瓷絕緣層，在經(jīng)過(guò)絕緣灌封材料處理后，此部分陶瓷材料可以保證功率單元足夠的爬電距離。本發(fā)明的有益效果在于，IGBT芯片和FWD芯片的連接采用疊層式結(jié)構(gòu)，具有更好的導(dǎo)熱性能，可以雙面散熱，且結(jié)構(gòu)緊湊，可以獲得更高的功率密度。


圖I是IGBT功率模塊的一種電路結(jié)構(gòu) 圖2是IGBT功率模塊的另一種電路結(jié)構(gòu) 圖3是本發(fā)明實(shí)施例I的IGBT功率模塊結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的IGBT功率模塊結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的IGBT功率模塊正面結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的IGBT功率模塊的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I
如圖3所示，一種IGBT功率模塊，由底板1、IGBT芯片3和FWD芯片4組成，IGBT芯片3反面的集電極31和IGBT芯片反面的陰極41分別通過(guò)第一焊料層51連接于底板I的上表面，IGBT芯片正面的發(fā)射極16通過(guò)第二焊料層52連接有第一導(dǎo)電層61，F(xiàn)WD芯片正面的陽(yáng)極15通過(guò)第二焊料層52連接有第二導(dǎo)電層62，IGBT芯片3、第二焊料層52和第一導(dǎo)電層61的層疊高度，與FWD芯片4、第二焊料層52和第二導(dǎo)電層62的層疊高度相同，發(fā)射極表面電極17通過(guò)第三焊接層53連接于第一和第二導(dǎo)電層61,62之上，并將第一導(dǎo)電層61、第二導(dǎo)電層62、外部的信號(hào)端子和功率端子連接在一起。15為IGBT柵極的連接層。底板I為金屬板，在底板I之上方，同時(shí)貼裝IGBT芯片3和FWD芯片4。由于功率芯片電流的垂直傳導(dǎo)，底板I必須有良好的導(dǎo)電性。而且，作為散熱的主要通道之一，要求底板I同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性能。而且，為了降低第一焊料層51的殘余應(yīng)力，提高模塊的疲勞壽命，底板I的熱膨脹系數(shù)必須盡量接近芯片。可以滿足以上要求的有兩種金屬材料，其一為鑰金屬，其二為銅一鑰和銅一鎢合金。這兩類(lèi)合金中，銅的重量百分比應(yīng)控制在20%至40%。這樣，在兼顧導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性的同時(shí)，鎢和鑰的含量可以有效控制底板的熱膨脹系數(shù)，從而達(dá)到延長(zhǎng)芯片焊料層疲勞壽命的目的。底板的厚度可以選擇在I. O毫米至5. O毫米的范圍。為了方便焊接，此類(lèi)底板材料通常必須進(jìn)行鍍鎳處理。IGBT芯片3和FWD芯片4正面同時(shí)焊接第一和第二導(dǎo)電層61、62，第一和第二導(dǎo)電層61、62米用與底板I同類(lèi)的金屬，第一和第二導(dǎo)電層61、62厚度可以選擇在O. 5毫米至I. 5毫米的范圍。由于IGBT芯片3與FWD芯片4的厚度差異，第一和第二導(dǎo)電層61、62的厚度的取值，應(yīng)使焊接完成后，IGBT芯片3和FWD芯片4的上表面處于同一高度。通過(guò)發(fā)射極表面電極17通過(guò)第三焊料層53，將IGBT芯片3和FWD芯片連接在一起。發(fā)射極表面電極17可采用純銅材料，根據(jù)功率芯片的尺寸和厚度，純銅層的厚度可以控制在O. 25毫米至I. O毫米的范圍。實(shí)施例2
如圖4所示,本實(shí)施例與上例基本相同,不同之處在于
底板I采用陶瓷覆銅基板，陶瓷覆銅基板由從上至下層疊的上表面銅層12、陶瓷絕緣層11和下表面銅層10組成。IGBT芯片3和FWD芯片4的貼裝結(jié)構(gòu)與上例的相同。上表面銅層12與發(fā)射極表面電極17，均采用高導(dǎo)電材料，例如，純銅。IGBT的柵極15從單元的一側(cè)引出。IGBT芯片3和FWD芯片4正面同時(shí)焊接第一和第二導(dǎo)電層61、62，第一和第二導(dǎo)電層61、62采用與熱膨脹系數(shù)與硅接近的高導(dǎo)電材料，例如鑰、鑰銅合金或者鎢銅合金。第一和第二導(dǎo)電層61、62厚度可以選擇在O. 5毫米至I. 5毫米的范圍，各層厚度的選擇與上例相同。陶瓷絕緣層11的厚度，必須根據(jù)耐壓要求選取，材料可采用絕緣和導(dǎo)熱性良好的氧化鋁、氮化鋁或者氮化硅。陶瓷材料厚度可以選在O. 3_至3_之間。IGBT集電極31從底板I上引出集電極電極19，集電極電極19包括第三導(dǎo)電層63和集電極表面電極16。圖中IGBT芯片的發(fā)射極引出電極14包括第四導(dǎo)電層64和發(fā)射極表面電極17，第四導(dǎo)電層64底面連接在DBC基板I上，第四導(dǎo)電層64的頂面和發(fā)射極表面電極17連接。發(fā)射極引出電極14可采用與第一導(dǎo)電層61相同的高導(dǎo)電材料。當(dāng)采用壓接方法連接IGBT模塊時(shí)，增加IGBT發(fā)射極引出電極14以后可以有效降低IGBT和FWD芯片表面的應(yīng)力。IGBT功率模塊的正面如圖5所示。IGBT功率模塊采用底部絕緣結(jié)構(gòu)，平面尺寸36mm x 34mm,不計(jì)信號(hào)端子連接高度，單元厚度僅為2. 5_，如圖6所示。IGBT功率模塊采用多芯片并聯(lián)，額定電壓1200V，額定輸出電流達(dá)400A。陶瓷覆銅基板的周邊延伸出一定寬度的陶瓷絕緣層11，功率模塊的發(fā)射極32的尺寸小于陶瓷陶瓷層11的外圍尺寸。因此，整個(gè)IGBT功率模塊的周邊為陶瓷絕緣層11，以提供足夠的爬電距離。IGBT功率模塊的上、下表面均為導(dǎo)熱路徑，可以通過(guò)雙面散熱來(lái)降低IGBT、FWD管芯的結(jié)溫；功率單元的上表面同時(shí)為電流路徑在IGBT芯片3和FWD芯片4之間的空隙，可以通過(guò)灌封絕緣材料18，例如環(huán)氧樹(shù)脂，來(lái)進(jìn)一步降低芯片應(yīng)力，提高功率單元的絕緣耐壓能力。
權(quán)利要求
1.一種IGBT功率模塊，由底板、IGBT芯片和FWD芯片組成，其特征是，所述IGBT芯片反面的集電極和所述IGBT芯片反面的陰極分別通過(guò)第一焊料層連接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的發(fā)射極通過(guò)第二焊料層連接有第一導(dǎo)電層，F(xiàn)ffD芯片正面的陽(yáng)極通過(guò)第二焊料層連接有第二導(dǎo)電層，所述IGBT芯片、第二焊料層和第一導(dǎo)電層的層疊高度，與所述FWD芯片、第二焊料層和第二導(dǎo)電層的層疊高度相同，發(fā)射極表面電極通過(guò)第三焊接層連接與所述第一和第二導(dǎo)電層之上，并將所述第一、第二導(dǎo)電層以及外部的信號(hào)端子和功率端子連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述底板為金屬板，所述金屬板的熱膨脹系數(shù)接近芯片的熱膨脹系數(shù)，金屬板的厚度選擇在I. O毫米至5. O毫米的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述底板是陶瓷覆銅基板，所述陶瓷覆銅基板由從上至下層疊的上表面銅層、陶瓷絕緣層和表面銅層組成，所述陶瓷絕緣層厚度選在O. 3mm至3mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述發(fā)射極表面電極為純銅層；所述第一和第二導(dǎo)電層厚度選擇在O. 5毫米至3. O毫米的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的IGBT功率模塊，其特征是，在所述IGBT芯片和所述FWD芯片之間的空隙，灌裝有絕緣材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述金屬板的材料為鑰金屬或銅一鑰合金或銅一鎢合金，所述金屬板表面鍍有鎳層或鎳銀合金層。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述第一和第二導(dǎo)電層采用和所述金屬板相同的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述陶瓷絕緣層的材料為氧化鋁、氮化鋁或者氮化硅，所述第一和第二導(dǎo)電層采用熱膨脹系數(shù)與硅接近的高導(dǎo)電材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述IGBT芯片還設(shè)有發(fā)射極引出電極，發(fā)射極引出電極底面連接在基陶瓷覆銅板上，所述發(fā)射極引出電極的頂面和所述發(fā)射極表面電極連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的IGBT功率模塊，其特征是，所述陶瓷覆銅基板的周邊延伸出一定寬度的陶瓷絕緣層。
全文摘要
一種IGBT功率模塊，由底板、IGBT芯片和FWD芯片組成，所述IGBT芯片反面的集電極和所述IGBT芯片反面的陰極分別通過(guò)第一焊料層連接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的發(fā)射極通過(guò)第二焊料層連接有第一導(dǎo)電層，F(xiàn)WD芯片正面的陽(yáng)極通過(guò)第二焊料層連接有第二導(dǎo)電層，所述IGBT芯片、第二焊料層和第一導(dǎo)電層的層疊高度，與所述FWD芯片、第二焊料層和第二導(dǎo)電層的層疊高度相同，發(fā)射極表面電極通過(guò)第三焊接層連接與所述第一和第二導(dǎo)電層之上，并將所述第一、第二導(dǎo)電層以及外部的信號(hào)端子和功率端子連接在一起。
文檔編號(hào)H01L25/07GK102693969SQ201210201158
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者莊偉東 申請(qǐng)人:南京銀茂微電子制造有限公司