一种高电流密度的IGBT功率模块的制作方法

一种高电流密度的igbt功率模块
技术领域
1.本实用新型涉及大电流igbt功率模块技术领域，更具体地说，涉及一种高电流密度的igbt功率模块


背景技术：

2.功率igbt(绝缘栅双极性晶体管)模块被广泛应用于各种电机控制变频器中，并逐渐走向高可靠性、高功率密度的发展方向。但大电流igbt功率模块的尺寸较大，价格较贵，现有模块很难在自身电流层次基础上提升电流等级。因此通过改进设计来提高模块的空间利用率，减小模块本身的体积，提高电流等级，降低成本，成为了重要的研究方向之一。同时，对于大电流密度的功率模块，不仅要有良好的电气性能和制造空间，更要有足够的机械强度和可靠的接触性能。
3.现有的大电流igbt功率模块dbc基板多为规则结构，占用空间大无法适应于上下壳体的安装。同时功率芯片在dbc基板上排布凌乱占、较为发散，无法实现igbt功率模块的电流等级需求。
4.电子连接器是电力输入输出的关键部件，连接器的好坏直接影响整个电气系统的性能。功率端子作为电子连接器件其体积大小、安装方式、机械强度直接关系到功率模块的整体性能。而现有的功率端子无法满足功率模块对功率端子小体积、高性能的要求。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种高电流密度的igbt功率模块，用以解决上述背景技术中存在的技术问题。
6.本实用新型技术方案一种高电流密度的igbt功率模块，包括固定在底板上的dbc基板和沿同一直线设置在dbc基板上的三个功率端子；
7.所述dbc基板包括设置为异形结构的上桥基板和下桥基板，所述上桥基板上和所述下桥基板上均设置有四并及以上的功率半导体芯片，且所述功率半导体芯片门级朝向外侧，所述dbc基板边缘处环设有芯片门极信号线；
8.所述功率端子包括“门框型”电源连接部、与“门框型”电源连接部的自由端连接的“c型”缓冲部、与所述“c型”缓冲部的游离端连接的水平支撑部，与水平支撑部连接的焊接部，所述“c型”缓冲部靠口朝向外侧，所述水平支撑部设置有槽型缺口，所述焊接部固定在水平支撑部的槽型缺口朝向一侧，所述功率端子通过超声焊接在dbc基板上。
9.在一个优选地实施例中，三个所述功率端子分别为依次设置在上桥基板上的正极p端子、设置在下桥基板上的功率ac端子和负极n端子，所述上桥基板上的电流通过三通道流入功率ac端子，所述下桥基板的电流通过两通道流入负极n端子。
10.在一个优选地实施例中，所述三通道包括并排设置在下桥基板上的第一铜层通道、第二铜层通道和第三铜层通道；所述两通道包括设置在下桥基板上且位于第二通道两侧的第四铜层通道和第五铜层通道，所述第四铜层通道和第五铜层通道与负极n端子直接
连接。
11.在一个优选地实施例中，所述dbc基板上设置有通过分段铜层跳线连接的e极信号线，所述功率半导体芯片为四并，且四个功率半导体芯片分别位于e极信号线两侧。
12.在一个优选地实施例中，所述dbc基板的四个角均为弧口朝外的弧形角，所述芯片门极信号线通过分段铜层跳线连接，且所述分段铜层在弧形角处断开并通过铝线键合。
13.在一个优选地实施例中，所述“c型”缓冲部侧边长度小于“门框型”电源连接部侧边的长度，且所述“c型”缓冲部一端与“门框型”电源连接部一端对齐、另一端与“门框型”电源连接部之间形成缺口，所述缺口和焊接部分别位于水平支撑部两侧。
14.在一个优选地实施例中，所述焊接部设置在槽型缺口远离“c型”缓冲部侧，焊接部设置为l形，且所述焊接部的竖直部与水平支撑部固定。
15.在一个优选地实施例中，所述“门框型”电源连接部顶部设置有螺栓接口。
16.本实用新型技术方案的有益效果是：
17.1.设置异形结构在保证igbt功率模块各元件顺利安装排布的同时，节约安装空间，使dbc基板本体的空间得到最大化利用，能使尺寸小的igbt模块实现大电流设计。上、下桥基板上的功率半导体芯片均设置为四个且并联设置，并联能将大电流均分到每个芯片上，且并联的越多，模块的电流等级越高。
18.2.设置“c型”缓冲部能有效的缓冲上端安装时产生的压力，避免压力直接传递到dbc上，导致dbc上的受力突变，陶瓷开裂。设置槽型缺口可以增大焊接部的悬臂长度，提升焊接区域的强度，而且也能起到很好的缓冲作用。
附图说明
19.图1为本实用新型整体结构示意图，
20.图2为本实用新型三通道设置图，
21.图3为本实用新型两通道设置图，
22.图4为本实用新型dbc基板本体结构示意图，
23.图5为本实用新型功率端子结构示意图，
24.图6为本实用新型功率端子侧视图。
25.附图标记说明：1底板、2dbc基板、3上桥基板、4下桥基板、5功率半导体芯片、6二极管、7铝线、8芯片门极信号线、9分段铜层、10第一铜层通道、11第二铜层通道、12第三铜层通道、13第四铜层通道、14第五铜层通道、15正极p端子、16功率ac端子、17负极n端子、18e极信号线、19“门框型”电源连接部、20“c型”缓冲部20、21水平支撑部、22槽型缺口、23焊接部、24缺口、25螺栓接口。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
27.参照图1
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图6，本实用新型技术方案一种高电流密度的igbt功率模块，包括固定在底板1上的dbc基板2和沿同一直线通过超声焊接在dbc基板2上的三个功率端子。
28.dbc基板2包括设置为异形结构的上桥基板3和下桥基板4。设置异形结构在保证igbt功率模块各元件顺利安装、排布的同时，节约安装空间，使dbc基板2的空间得到最大化利用，能使尺寸小的igbt模块实现大电流设计。将dbc基板2的四个角均为弧口朝外的弧形角，可以将dbc基板2顺利安装在底板1内，同时还不影响底板1与上壳的固定。
29.上桥基板2上和所述下桥基板3上均设置有四并及以上的功率半导体芯片5。上、下桥基板上的功率半导体芯片5均平行分布且门级均朝向外侧，节约空间、便于走线。同时，并联能将大电流均分到每个芯片上，且并联的越多，模块的电流等级越高。
30.dbc基板2边缘处环设有芯片门极信号线8，功率半导体芯片5与芯片门极信号线8电性连接。芯片门极信号线8通过分段铜层9跳线连接，且分段铜层9在弧形角处断开并通过铝线7键合。芯片门极信号线8环设在dbc基板2边缘，通过分段铜层9跳线连接，不仅能提高dbc陶瓷基板的空间利用率，更能有效的避免电磁干扰。分段铜层9在弧形角处断开并通过铝线键合不影响底板1与上壳的固定，保证连接的连续性。
31.三个功率端子的功率相同，分别为依次设置在上桥基板3上的正极p端子15、设置在下桥基板4上的功率ac端子16和负极n端子17，所述上桥基板3上的电流通过三通道流入功率ac端子16，所述下桥基板4的电流通过两通道流入负极n端子17。
32.三通道包括并排设置在下桥基板4上的第一铜层通道10、第二铜层通道11和第三铜层通道12。当上桥基板3上的电流流到下桥基板4时，通过上述三个通道到达功率ac端子11，能有效的均分大电流，提高铜层的载流能力，缩短整个电流通道路径
33.两通道包括设置在下桥基板4上且位于第二通道两侧11的第四铜层通道13和第五铜层通道14，第四铜层通道13和第五铜层通道14与负极n端子17直接连接。电流依次经功率半导体芯片5、铝线7至第四铜层通道13和第五铜层通道14，然后再由第四铜层通道13和第五铜层通道14到达负极n端子17。设置两通道使电流更加均匀的流入负极n端子17，且通道路径短，杂生电感小。
34.dbc基板2上设置有通过分段铜层9跳线连接的e极信号线18，功率半导体芯片5为四并，且四个功率半导体芯片5分别位于e极信号线18两侧。上、下桥基板上的功率半导体芯片5均设置为四个且并联设置，e极信号线18从dbc基板2中间穿过，使功率半导体芯片5均分在e极信号线18两侧，使每个芯片的开通速度更加均匀，提高芯片的一致性。
35.功率端子包括，“门框型”电源连接部19、与“门框型”电源连接部19的自由端连接的“c型”缓冲部20、与“c型”缓冲部20的游离端连接的水平支撑部21，与水平支撑部21连接的焊接部23，所述“c型”缓冲部20靠口朝向外侧。
[0036]“门框型”电源连接部19顶部设置有螺栓接口25，功率端子安装时，一端(即“门框型”电源连接部19顶部)通过螺栓接口25与铜排螺接到电源上，另一端(即焊接部23)通过超声焊接方式，焊接在,dbc基板2表面。
[0037]
在“门框型”电源连接部19与铜排安装时会通过功率端子向dbc表面传递压力，而dbc多为陶瓷板，易开裂。设置“c型”缓冲部20能有效的缓冲上端安装时产生的压力，避免压力直接传递到dbc上，导致dbc上的受力突变，陶瓷开裂。
[0038]“c型”缓冲部20位于“门框型”电源连接部19底部且最外侧与门框型”电源连接部
在同一竖直面上，所述水平支撑部21伸出“门框型”电源连接部19。将“c型”缓冲部20设置在“门框型”电源连接部19底部可以有效缓冲上方传递的压力，也保证功率端子整体占用空间小且牢固。
[0039]“c型”缓冲部20侧边长度小于“门框型”电源连接部19侧边的长度，且所述“c型”缓冲部20一端与“门框型”电源连接部19一端对齐、另一端与“门框型”电源连接部19之间形成缺口24，所述缺口24和焊接部23分别位于水平支撑部21两侧。
[0040]
因为固定后功率端子位于芯片上端，将“c型”缓冲部20的侧边长度设置的比“门框型”电源连接部19的侧边长度短，可缩小功率端子覆盖芯片的面积，增大功率端子与芯片的距离，提升键合空间，削弱电磁干扰的影响。“c型”缓冲部20的侧边长度比“门框型”电源连接部19的侧边长度短1
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4mm，最大差值不得超过4mm，以保证功率端子抗压性。
[0041]
水平支撑部21设置有槽型缺口22，焊接部23固定在水平支撑部21的槽型缺口22朝向一侧，且焊接部23设置在槽型缺口22远离“c型”缓冲部20侧。焊接部23设置为l形，且焊接部23的竖直部与水平支撑部213固定。
[0042]
设置槽型缺口22可以增大焊接部23的悬臂长度，提升焊接区域的强度，而且也能起到很好的缓冲作用。在安装时，铜排与端子紧固，当功率端子收到向上的拉力，槽口部分相当于一个悬臂梁，避免拉力直接施加到焊接部23上，减小了拉力对焊层的损坏。焊接部23的水平部伸出长度为5.6mm，保证焊接牢固性的同时节约焊接空间。
[0043]
显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。本实用新型中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。