一种便于串联使用的大功率IGBT模块制造技术

本发明专利技术提供了一种便于串联使用的大功率IGBT模块，包括功率子单元、金属电极板和外部管壳；金属电极板设置在外部管壳的底部；外部管壳包括两列方形框架；两列方形框架之间留有空间形成一个条状框架；功率子单元设置在方形框架内且与金属电极板紧密接触，其包括金属端盖、栅极PCB板、辅助栅极PCB板和多个功率半导体芯片；辅助栅极PCB板设置在条状框架内；金属端盖、金属电极板和栅极PCB板分别与功率半导体芯片的集电极、发射极和栅极电气连接。与现有技术相比，本发明专利技术提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，既有利于功率半导体器件的串联，同时不需要太大的钳位压力，降低了功率半导体器件在实际应用过程中对机械结构的要求。

A high power IGBT module for serial use

The invention provides a method for high power IGBT module series, including a power unit, a metal electrode plate and external shell; metal electrode plate is arranged on the outer tube at the bottom of the shell; the shell includes a two column square frame external tube; space to form a strip framework left between the two column square frame; power sub unit is arranged in the square frame and the metal electrode plate in close contact, which comprises a metal cover, PCB plate, PCB gate auxiliary grid plate and a plurality of power semiconductor chip; PCB auxiliary grid plate is arranged on the strip frame; metal cover, metal electrode plates and PCB gate plate respectively and power semiconductor chip, collector the emitter and gate electrical connection. Compared with the existing technology, which is convenient for high power IGBT module used in series provided by the invention, not only conducive to the series of power semiconductor devices, and does not need too much pressure clamp, reduces the requirement of power semiconductor devices on the mechanical structure in the practical application process.

【技术实现步骤摘要】
一种便于串联使用的大功率IGBT模块
本专利技术涉及绝缘栅双极晶体管的封装
，具体涉及一种便于串联使用的大功率IGBT模块。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor—IGBT)结合了MOSFET和BJT两者的优点，具有电压驱动、通态压降低、电流容量大等特点，被广泛应用于工业、交通、电力、军事、航空以及电子信息等领域。焊接式IGBT基于键合线导电的形式，将多个芯片并联实现大功率，目前技术已经非常成熟。压接式IGBT结合了GTO和IGBT两者的优点，具有双面散热、高可靠性以及短路失效等特点，非常适合于电力系统、船舶等串联应用领域。对于焊接型IGBT，通过多个芯片并联的形式来实现大电流，但是由于其封装结构，导致功率等级太大时，芯片之间电流分布存在很大的不一致性，这是由于封装几何结构导致，此外单面散热的封装结构，不能够像压接型IGBT器件一样方便地串联。压接式IGBT，可以实现多个芯片的密集并联，但是对芯片的压力一致性要求很高，且器件在运行时需要很大的钳位压力，从而对系统提出了很高的机械需求。IGBT的概念自1982年提出以来，焊接式的IGBT目前已经广泛地实现了商业化，大功率的焊接式IGBT器件生产商主要有三菱、英飞凌、富士电机、中国中车等。现有的两种主流压接形式为ABB公司推出的StakPak压接型IGBT和Westcode公司的PressPackIGBT。公开号为CN1596472A的专利技术专利公开了ABB公司的一种大功率半导体模块，其压接通过碟簧来实现，有利于实现压力分布的均匀特性。公开号为US6678163B1的专利技术专利公开了Westcode公司的压接型IGBT封装结构，这种结构有利于双面散热，但是垂直于芯片表面方向上全部为硬压接的方式，对于芯片、钼片、银片的厚度以及凸台高度的一致性要求极高，因为细微的厚度将会导致压力的极大差别，从而造成热阻差别太大或者直接由于过大压力造成芯片的物理损坏。
技术实现思路
为了满足现有技术的需要，本专利技术提供了一种便于串联使用的大功率IGBT模块。本专利技术的技术方案是：所述大功率IGBT模块包括功率子单元(1)、金属电极板(3)和外部管壳(4)；所述金属电极板(3)设置在所述外部管壳(4)的底部；所述外部管壳(4)包括两列方形框架，每列方形框架包括多个顺次排列的方形框架；所述两列方形框架之间留有空间形成一个条状框架；所述功率子单元(1)设置在所述方形框架内且与所述金属电极板(3)紧密接触，其包括金属端盖(11)、栅极PCB板(17)、辅助栅极PCB板(2)和多个功率半导体芯片(13)；所述辅助栅极PCB板(2)设置在所述条状框架内，其通过所述方形框架的通孔(5)与栅极PCB板(17)连接；所述金属端盖(11)、金属电极板(3)和栅极PCB板(17)分别与所述功率半导体芯片(13)的集电极、发射极和栅极电气连接。本专利技术进一步提供的优选实施例为：所述功率子单元(1)还包括绝缘基板(15)、导电金属块(16)、和子单元框架(18)；所述绝缘基板(15)的上表面敷设有方形铜层(14)，其表面积小于所述绝缘基板(15)的表面积；所述方形铜层(14)的四个边缘均等间距布置多个功率半导体芯片(13)，所述方形铜层(14)的中央设置一个铜柱(141)，该铜柱(141)的另一端与金属端盖(11)焊接或者烧接；所述导电金属块(16)为具有一方形凹槽的方形金属块，其底部与所述金属电极板(3)紧密接触；所述方形凹槽内由下至上顺次设置有绝缘基板(15)、方形铜层(14)和功率半导体芯片(13)；所述子单元框架(18)套设在所述导电金属块(16)的外侧，用于支撑所述金属端盖(11)与所述金属电极板(3)；所述栅极PCB板设置在所述子单元框架(18)与导电金属块(16)之间。本专利技术进一步提供的优选实施例为：所述功率半导体芯片(13)的集电极一侧与所述方形铜层(14)接触，其发射极通过发射极键合线(121)与所述导电金属块(16)连接，其栅极通过栅极键合线(12)与所述栅极PCB板连接；所述功率半导体芯片(13)的集电极、方形铜层(14)、铜柱(141)和金属端盖(11)顺次电气连接；所述功率半导体芯片(13)的发射极、发射极键合线(121)、导电金属块(16)和金属电极板(3)顺次电气连接；所述功率半导体芯片(13)的栅极、栅极键合线(12)、栅极PCB板(17)和辅助栅极PCB板(2)顺次电气连接。本专利技术进一步提供的优选实施例为：所述金属电极板(3)的边缘设置有一个辅助发射极端子，该辅助发射极端子与所述辅助栅极PCB板(2)引出所述条状框架外的部分相对应。本专利技术进一步提供的优选实施例为：所述功率子单元(1)内部填充透明硅胶。本专利技术进一步提供的优选实施例为：所述外部管壳(4)采用陶瓷或者高强度复合材料。与最接近的现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，既有利于功率半导体器件的串联，同时不需要太大的钳位压力，降低了功率半导体器件在实际应用过程中对机械结构的要求；2、本专利技术提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，可以根据所需电流等级选择合适的功率半导体器件并联数量，从而可以灵活调整大功率IGBT模块的功率等级；3、本专利技术提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，相对于压接型IGBT器件而言，其压力不需直接施加在功率半导体芯片上，因此不需考虑施加压力是否一致的问题；4、本专利技术提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，相对于焊接型IGBT器件而言，可以实现双面散热且每个功率半导体芯片的电流一致性更好。附图说明图1：本专利技术实施例中一种便于串联使用的大功率IGBT模块示意图；图2：本专利技术实施例中一种便于串联使用的大功率IGBT模块分解示意图；图3：本专利技术实施例中功率子单元内部视图；图4：本专利技术实施例中功率子单元内部俯视图；图5：本专利技术实施例中功率子单元内部剖视图；图6：本专利技术实施例中栅极PCB板与辅助栅极PCB板布局图；其中，1：功率子单元；11：金属端盖；12：栅极键合线；121：发射极键合线；13：功率半导体芯片；14：方形铜层；141：铜柱；15：绝缘基板；16：导电金属块；17：栅极PCB板；18：子单元框架；2：辅助栅极PCB板；3：金属电极板；31：辅助发射极端子；4：外部管壳；5：通孔。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面分别结合附图，对本专利技术实施例提供的一种便于串联使用的大功率IGBT模块进行说明。图1为本专利技术实施例中一种便于串联使用的大功率IGBT模块示意图，图2为本专利技术实施例中一种便于串联使用的大功率IGBT模块分解示意图，如图1和2所示，本实施例中大功率IGBT模块包括功率子单元1、金属电极板3和外部管壳4。其中，金属电极板3设置在外部管壳4的底部。外部管壳4包括两列方形框架，每列方形框架包括多个顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便于串联使用的大功率IGBT模块，其特征在于，所述大功率IGBT模块包括功率子单元(1)、金属电极板(3)和外部管壳(4)；所述金属电极板(3)设置在所述外部管壳(4)的底部；所述外部管壳(4)包括两列方形框架，每列方形框架包括多个顺次排列的方形框架；所述两列方形框架之间留有空间形成一个条状框架；所述功率子单元(1)设置在所述方形框架内且与所述金属电极板(3)紧密接触，其包括金属端盖(11)、栅极PCB板(17)、辅助栅极PCB板(2)和多个功率半导体芯片(13)；所述辅助栅极PCB板(2)设置在所述条状框架内，其通过所述方形框架的通孔(5)与栅极PCB板(17)连接；所述金属端盖(11)、金属电极板(3)和栅极PCB板(17)分别与所述功率半导体芯片(13)的集电极、发射极和栅极电气连接。

【技术特征摘要】
1.一种便于串联使用的大功率IGBT模块，其特征在于，所述大功率IGBT模块包括功率子单元(1)、金属电极板(3)和外部管壳(4)；所述金属电极板(3)设置在所述外部管壳(4)的底部；所述外部管壳(4)包括两列方形框架，每列方形框架包括多个顺次排列的方形框架；所述两列方形框架之间留有空间形成一个条状框架；所述功率子单元(1)设置在所述方形框架内且与所述金属电极板(3)紧密接触，其包括金属端盖(11)、栅极PCB板(17)、辅助栅极PCB板(2)和多个功率半导体芯片(13)；所述辅助栅极PCB板(2)设置在所述条状框架内，其通过所述方形框架的通孔(5)与栅极PCB板(17)连接；所述金属端盖(11)、金属电极板(3)和栅极PCB板(17)分别与所述功率半导体芯片(13)的集电极、发射极和栅极电气连接。2.如权利要求1所述的一种便于串联使用的大功率IGBT模块，其特征在于，所述功率子单元(1)还包括绝缘基板(15)、导电金属块(16)、和子单元框架(18)；所述绝缘基板(15)的上表面敷设有方形铜层(14)，其表面积小于所述绝缘基板(15)的表面积；所述方形铜层(14)的四个边缘均等间距布置多个功率半导体芯片(13)，所述方形铜层(14)的中央设置一个铜柱(141)，该铜柱(141)的另一端与金属端盖(11)焊接或者烧接；所述导电金属块(16)为具有一方形凹槽的方形金属块，其底部与所述金属电极板(3)紧密接触；所述方形凹槽内由下至上顺次设...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐新灵，莫申杨，崔翔，赵志斌，张朋，李金元，温家良，
申请(专利权)人：华北电力大学，全球能源互联网研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11