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CN116525603A - 一种三相全桥电路的功率封装模块 - Google Patents

一种三相全桥电路的功率封装模块 Download PDF

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CN116525603A CN202310338748.1A CN202310338748A CN116525603A CN 116525603 A CN116525603 A CN 116525603A CN 202310338748 A CN202310338748 A CN 202310338748A CN 116525603 A CN116525603 A CN 116525603A
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Abstract

本发明涉及一种三相全桥电路的功率封装模块，包括陶瓷介质基板、第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组和IC芯片；所述陶瓷介质基板包括陶瓷绝缘层、位于陶瓷绝缘层上表面的多个安装区和刻蚀电路线、刻蚀连接点；第一引线框架位于陶瓷介质基板上表面的一侧侧边上，第二引线框架位于另一侧侧边上；每个IGBT模组均焊接在安装区上，安装区中的第一安装区内装有多个IGBT模组；IC芯片安装在第一安装区与第二引线框架之间的区域内，第一安装区与IC芯片之间设置有多个刻蚀连接点，第一安装区内的IGBT模组一端通过绑定线电连接到刻蚀连接点，刻蚀连接点通过绑定线电连接到IC芯片，从而将第一安装区内的IGBT模组一端与IC芯片电连接。

Description

一种三相全桥电路的功率封装模块
技术领域
本发明涉及电力半导体新器件的技术领域，具体涉及一种三相全桥电路的功率封装模块。
背景技术
在电力电子领域，随着高效节能要求的不断提升，驱动功率小、损耗低的IGBT越来越成为功率半导体器件的优选。IGBT全称绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极结型晶体三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件，。它是一个非通即断的开关，没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路，因此很好地融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点。
在大功率应用中，单芯片的IGBT器件已不能满足需求，因此，通过集成多个IGBT芯片、并组合其他必要的元器件形成各种不同电路的功率封装模块应运而生。不过相对于单芯片器件，功率封装模块对驱动技术、串并联技术、过电应力保护技术和软开关技术等硬件集成技术要求也随之变高。
三相全桥电路就是其中一种对封装技术要求很苛刻的功率封装模块。作为具有六个IGBT模组的功率封装模块，在最新的市场竞争要求下，尺寸已经压缩到了极限，而单个IGBT模组由于是上游芯片供应商提供的，其尺寸是无法进一步缩小的，此时要在有限的空间内封装六个IGBT模组以及其他元器件，并完成走线的布局，就对封装工艺提出了很高的要求。
发明内容
鉴于上述现有技术的三相全桥电路的功率封装模块的技术问题，本发明提供了一种新的三相全桥电路的功率封装模块，其具有结构紧凑、集成度高的优点。
具体的，本发明提供一种三相全桥电路的功率封装模块，包括陶瓷介质基板、第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组和IC芯片；
所述陶瓷介质基板包括陶瓷绝缘层、位于所述陶瓷绝缘层上表面的多个安装区和刻蚀电路线、刻蚀连接点，以及位于所述陶瓷绝缘层底面的覆铜层；
所述第一引线框架位于所述陶瓷介质基板上表面的一侧侧边上，所述第二引线框架位于所述陶瓷介质基板上表面的、与所述第一引线框架相平行的另一侧侧边上；所述第一引线框架、第二引线框架均向所述陶瓷介质基板中间延伸有多个内管脚；
所述IGBT模组有六个，每个所述IGBT模组均焊接在所述安装区上，所述安装区中的第一安装区内装有多个IGBT模组；
所述IC芯片安装在所述第一安装区与所述第二引线框架之间的区域内，所述第一安装区与所述IC芯片之间设置有多个刻蚀连接点，所述第一安装区内的IGBT模组一端通过绑定线电连接到所述刻蚀连接点，所述刻蚀连接点通过绑定线电连接到所述IC芯片，从而将所述第一安装区内的IGBT模组一端与所述IC芯片电连接；所述第一安装区内的IGBT模组的另一端通过绑定线经刻蚀电路线与所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚电连接；
除开所述第一安装区的安装区上的IGBT模组一端通过绑定线与刻蚀电路线的一端连接，所述刻蚀电路线的另一端通过绑定线与所述IC芯片电连接；这些IGBT模组的另一端通过绑定线经刻蚀电路线与所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚电连接。
优选地，每个所述IGBT模组包括IGBT芯片和配对连接的FRD芯片，二者之间通过绑定线实现电连接。
优选地，所述安装区上、对应于每个IGBT模组的IGBT芯片和FRD芯片之间的位置开设有定位用的直槽口。
优选地，所述安装区包括第一安装区、第二安装区、第三安装区和第四安装区，所述第一安装区上并排焊接有三个IGBT模组，所述第二、第三、第四安装区上各有一个IGBT模组。
优选地，所述第一或第二引线框架的多个内管脚中至少有两个相邻的内管脚端部之间连接有一热敏电阻，用于整个封装模块的过温检测和控制电路保护。
优选地，所述刻蚀电路线为宽度在0.2mm至1.5mm的铜线，所述刻蚀连接点为等效直径不大于0.6mm的方形或圆形铜片。
优选地，所述刻蚀电路线和所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚通过锡膏涂敷进行点焊固定。
优选地，所述绑定线为铝线或铜线。
优选地，所述功率封装模块还包括将所述陶瓷介质基板、第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组和IC芯片整体灌封包裹的环氧树脂层。
优选地，所述第一安装区在所述第二引线框架轴向的前端，除开所述第一安装区的安装区位于所述第二引线框架轴向的后端，所述IC芯片为长方形，其在所述第一安装区和第二引线框架之间成倾斜设置，前端靠近所述第一安装区，后端靠近所述第二引线框架。
与现有技术相比，本发明提供的一种三相全桥电路的功率封装模块的有益效果和优点是：通过绑定线、刻蚀电路线、刻蚀连接点将第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组、IC芯片之间进行连接，完成电路拓扑的成型，最终实现整个封装模块的三相全桥电路的驱动控制和电路开关保护功能。而采用刻蚀连接点配合绑定线而非刻蚀电路线的设计，可以有效减少布线，节省排线空间，而达到相同的电气连接效果。
附图说明
图1为一种三相全桥电路的智能功率封装模块的整体结构示意图；
图2为陶瓷介质基板侧视图；
图3为陶瓷介质基板正视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种三相全桥电路的功率封装模块，包括陶瓷介质基板1、第一引线框架20、第二引线框架2、IGBT模组3以及IC芯片13。
陶瓷介质基板1如图2、图3所示，包括陶瓷绝缘层6、位于陶瓷绝缘层6上表面的多个安装区4和刻蚀电路线5、刻蚀连接点50，以及位于陶瓷绝缘层6底面的覆铜层7；陶瓷绝缘层6起到绝缘、电气隔离的作用，覆铜层7用于导热和散热。
安装区4和刻蚀电路线5、刻蚀连接点50均为在陶瓷绝缘层6表面形成并经刻蚀后留在其表面上的刻蚀层，其中安装区4用于其上安装IGBT模组3，刻蚀电路线5和刻蚀连接点50用来做电路连接。
如图1、3所示，本实施例中一共有四个安装区4，分别为第一、第二、第三、第四安装区。四个安装区4位于陶瓷绝缘层6的中部且基本呈一字摆开，相互之间均间隔有至少3倍刻蚀电路线5的宽度的距离，以保证电气隔离。每个安装区4上均装有IGBT模组3，其中第一安装区40有三个并排设置的IGBT模组3，除开第一安装区40的其他安装区，也即第二安装区、第三安装区和第四安装区上各设置有一个IGBT模组3。本发明中也可以采用三个安装区、第一安装区有四个IGBT模组、另两安装区各一个IGBT模组的配置。
每个IGBT模组3由一个IGBT芯片8和一个配对连接的FRD芯片9组成，二者之间通过绑定线实现电连接，并以预设距离间隔焊接在安装区4上。焊接采用锡膏涂敷，实现导通和固定。
并且如图3所示，每个IGBT模组3的IGBT芯片8和FRD芯片9之间的安装区4局部上开设有焊接定位和散热用的直槽口12。并且，第一安装区40上的三个IGBT模组3之间的安装区局部上也开设有这样的直槽口12。
第一引线框架20、第二引线框架2分别位于陶瓷介质基板1上表面的两侧侧边上且相互平行，将多个安装区4围在中间。第一引线框架20、第二引线框架2均向所述陶瓷介质基板1中间、即安装区4所在的位置延伸有多个内管脚11，用于与IGBT模组3和IC芯片13电连接。
优选地，第一引线框架20或第二引线框架2的多个内管脚11中至少有两个相邻的内管脚11端部之间连接有一热敏电阻，用于整个封装模块的过温检测和控制电路保护。
在第一安装区40与第二引线框架2之间的区域内安装有IC芯片13，优选HVIC集成芯片。如图1所示，第一安装区40在第二引线框架2轴向的前端，靠近陶瓷介质基板1的一端端部；除开第一安装区40的其他安装区4，例如第二安装区、第三安装区和第四安装区则位于第二引线框架2轴向的后端，IC芯片13为长方形，其在第一安装区40和第二引线框架2之间成倾斜设置，前端靠近第一安装区40，后端靠近第二引线框架2。通过这种倾斜设置，留给刻蚀电路线5有足够的设计和排布空间，避免应横放或竖放阻断线路或者使得电路线多绕圈。
进一步地，除了第一、第二引线框架2、IC芯片13、安装区4以外的陶瓷介质基板1表面区域上布置有很多的刻蚀电路线5，用来根据电路设计的需要与第一、第二引线框架的内管脚11连接，或者与IGBT模组3连接，或者与IC芯片13连接。
与现有方案所不同的是，在第一安装区40与IC芯片13之间还设置有多个刻蚀连接点50，第一安装区40内的IGBT模组3一端通过绑定线10电连接到刻蚀连接点50，刻蚀连接点50通过绑定线电连接到IC芯片13，从而将第一安装区40内的IGBT模组3一端与IC芯片13电连接；这些IGBT模组3的另一端通过绑定线10、刻蚀电路线5与第一引线框架20或第二引线框架2的内管脚11电连接；
除开第一安装区40的其他安装区4上的IGBT模组3一端通过绑定线10与刻蚀电路线5的一端连接，刻蚀电路线5的另一端通过绑定线与IC芯片13电连接；这些IGBT模组3的另一端通过绑定线经刻蚀电路线与所述第一引线框架20或第二引线框架2的内管脚电连接。
这些器件通过绑定线10、刻蚀电路线5、刻蚀连接点50的连接，完成电路拓扑的成型，最终实现整个封装模块的三相全桥电路的驱动控制和电路开关保护功能。而采用刻蚀连接点50配合绑定线10而非刻蚀电路线5的设计，可以有效减少布线，节省排线空间，而达到相同的电气连接效果。
绑定线10可以采用铝线或铜线，刻蚀电路线5采用宽度在0.2mm至1.5mm的铜线，刻蚀连接点为等效直径(d＝4S/D，d为等效直径，S为面积，D为周长)不大于0.6mm的方形或圆形铜片。
刻蚀电路线5和所述第一引线框架20或第二引线框架2的内管脚11通过锡膏涂敷进行点焊固定，过回流焊260℃后对整个陶瓷介质基板1进行机械支撑固定。
另外，电路布图和电气连接完成后，还需要将陶瓷介质基板1、第一引线框架20、第二引线框架2、IGBT模组3和IC芯片13等所有整体灌封包裹一层环氧树脂层，以完全隔离外部环境，实现整个功率封装模块的物理保护和化学保护，以达到抗腐蚀和防水汽侵入的保护措施。
本发明智能功率封装模块通过集成三相全桥和HVIC集成芯片的驱动控制，搭建组装以模块封装方式来实现电路应用的功率驱动和智能控制，既可简化电路、缩小体积，又可节省外壳、绝缘材料、互连导体及散热器等材料，从而降低电路成本。
通过合理设计IGBT模组和陶瓷介质基板的组装实现智能功率封装模块，为计算机、通信、自动化装置、仪表、工业装置等提供高质量交流或直流电源转换和开关，以及工业过程中运动的高效率、精密及快速控制；同时性价比高的功率IGBT模组构建的三相全桥封装模块，更适用于汽车电子和开关电源的应用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所运用的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定；对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相全桥电路的功率封装模块，其特征在于，包括陶瓷介质基板、第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组和IC芯片；
所述陶瓷介质基板包括陶瓷绝缘层、位于所述陶瓷绝缘层上表面的多个安装区和刻蚀电路线、刻蚀连接点，以及位于所述陶瓷绝缘层底面的覆铜层；
所述第一引线框架位于所述陶瓷介质基板上表面的一侧侧边上，所述第二引线框架位于所述陶瓷介质基板上表面的、与所述第一引线框架相平行的另一侧侧边上；所述第一引线框架、第二引线框架均向所述陶瓷介质基板中间延伸有多个内管脚；
每个所述IGBT模组均焊接在所述安装区上，所述安装区中的第一安装区内装有多个IGBT模组；
所述IC芯片安装在所述第一安装区与所述第二引线框架之间的区域内，所述第一安装区与所述IC芯片之间设置有多个刻蚀连接点，所述第一安装区内的IGBT模组一端通过绑定线电连接到所述刻蚀连接点，所述刻蚀连接点通过绑定线电连接到所述IC芯片，从而将所述第一安装区内的IGBT模组一端与所述IC芯片电连接；所述第一安装区内的IGBT模组的另一端通过绑定线经刻蚀电路线与所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚电连接；
除开所述第一安装区的安装区上的IGBT模组一端通过绑定线与刻蚀电路线的一端连接，所述刻蚀电路线的另一端通过绑定线与所述IC芯片电连接；这些IGBT模组的另一端通过绑定线经刻蚀电路线与所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚电连接。
2.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，每个所述IGBT模组包括IGBT芯片和配对连接的FRD芯片，二者之间通过绑定线实现电连接。
3.根据权利要求2所述的功率封装模块，其特征在于，所述安装区上、对应于每个IGBT模组的IGBT芯片和FRD芯片之间的位置开设有定位用的直槽口。
4.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述安装区包括第一安装区、第二安装区、第三安装区和第四安装区，所述第一安装区上并排焊接有三个IGBT模组，所述第二、第三、第四安装区上各有一个IGBT模组。
5.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述第一或第二引线框架的多个内管脚中至少有两个相邻的内管脚端部之间连接有一热敏电阻，用于整个封装模块的过温检测和控制电路保护。
6.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述刻蚀电路线为宽度在0.2mm至1.5mm的铜线，所述刻蚀连接点为等效直径不大于0.6mm的方形或圆形铜片。
7.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述刻蚀电路线和所述第一引线框架或第二引线框架的内管脚通过锡膏涂敷进行点焊固定。
8.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述绑定线为铝线或铜线。
9.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述功率封装模块还包括将所述陶瓷介质基板、第一引线框架、第二引线框架、IGBT模组和IC芯片整体灌封包裹的环氧树脂层。
10.根据权利要求1所述的功率封装模块，其特征在于，所述第一安装区在所述第二引线框架轴向的前端，除开所述第一安装区的安装区位于所述第二引线框架轴向的后端，所述IC芯片为长方形，其在所述第一安装区和第二引线框架之间成倾斜设置，前端靠近所述第一安装区，后端靠近所述第二引线框架。
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