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CN112750803B - 一种母排端子及igbt功率模块 - Google Patents

一种母排端子及igbt功率模块 Download PDF

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CN112750803B CN201911053070.2A CN201911053070A CN112750803B CN 112750803 B CN112750803 B CN 112750803B CN 201911053070 A CN201911053070 A CN 201911053070A CN 112750803 B CN112750803 B CN 112750803B
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Abstract

本申请提供了一种母排端子，应用于大功率IGBT模块，所述母排端子包括发射极母排和集电极母排，所述发射极母排和所述集电极母排均包括一主体部和设置在所述主体部底部的引脚，所述引脚包括与所述主体部连接的管脚踝部，及与所述管脚踝部连接的末端部，所述管脚踝部和所述末端部位于不同平面。本申请的母排端子能够更好地与衬板进行连接。不但能释放超声焊接工艺中所产生的机械应力以及后续大电流工况下的热电耦合应力，还能消减洛伦兹力在端部的电磁扭矩。

Description

一种母排端子及IGBT功率模块
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种母排端子及IGBT功率模块。
背景技术
以IGBT为代表的全控型功率半导体模块被广泛应用于新能源发电、智能电网、直流输电与电力机车等大功率电能变换场合。随着电力电子电能变换设备的容量需求不断增加，作为其核心部件的高压大功率IGBT模块的电流容量需求也在不断提升。在相同的标准封装尺寸条件限制下，电流容量的提升将使功率模块的母排端子产生高热电耦合应力与强高电磁扭矩等可靠性问题。
传统的大功率IGBT模块内部的母排端子的互连模式主要有两种：引线键合式与焊接式。引线键合式的母排端子连接方式是利用多根绑定线将模块内部衬板的电流汇集到母排端子上来，然而，衬板上预留给键合线的面积有限，且每根键合线所能承受的电流密度也很小。因此，引线键合式仅用于小功率IGBT模块的封装应用中。
在大功率IGBT模块的封装中，则较多的采用焊接式。在焊接式中，具备高载流能力的母排端子通常有多个管脚，通过焊接工艺将母排管脚直接与衬板相连。如此，多个衬板间的电流即可通过母排管脚的焊接端子统一汇流至母排的输出功率端子。既完成了模块内部大电流的汇集输出功能，又确保了母排与衬板之间的互连。但是，当IGBT模块的电流容量进一步提高，利用传统焊接工艺进行焊接时，焊接点处的焊料与衬板和母排端子之间材料的热膨胀系数不一致的问题将进一步扩大。强电热耦合效应将在焊接点处内部产生反复地机械应力，从而致使母排端子产生裂纹和断根等失效问题。此外，在功率模块的动态开关过程当中，大电流开关动作所产生的强电磁扭矩将对模块外壳产生非预期的机械应力，进一步降低了母排管脚处的连接可靠性。
除了上述提到的引线键合式与焊接式之外，超声波焊接以其高韧性、高强度、和高效率等特点，逐渐被广泛用于半导体功率模块封装互连技术当中。然而在超声焊接的过程当中，超声焊接工艺在焊接过程当中高频振动波能量会通过待焊接的端子，传递至母排的其他非焊接部位，导致非焊接部位处出现金属疲劳和残余应力不均等其他可靠性问题。
在IGBT功率模块的动态开关过程中，大电流的通断工作将对母排产生高的电磁应力，而采用传统的焊接工艺和平面结构的母排端子均无法应对大电流工况条件所带来的强热电应力与高电磁扭矩所带来的可靠性问题。
因此，急需一种新型的母排端子和IGBT功率模块以解决上述技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种母排端子及IGBT功率模块，用于解决上述全部或部分技术问题。
第一方面，本申请提供一种母排端子，应用于大功率IGBT模块，所述母排端子包括发射极母排和集电极母排，所述发射极母排和所述集电极母排均包括一主体部和设置在所述主体部底部的引脚，
其中，所述引脚包括与所述主体部连接的管脚踝部，及与所述管脚踝部连接的末端部，所述管脚踝部和所述末端部位于不同平面。
在一个实施方式中，所述管脚踝部和所述末端部呈90度。
在一个实施方式中，所述管脚踝部的纵截面构造为环型或“中”字型。
在一个实施方式中，所述发射极母排的主体部的纵截面，及所述集电极母排的主体部的纵截面均构造为“L”型结构，所述发射极母排的主体部与所述集电极母排的主体部均包括一竖向部和一横向部。
在一个实施方式中，所述发射极母排和所述集电极母排之间相互平行，
且所述发射极母排主体部的竖向部与所述集电极母排主体部的竖向部朝向相反的方向，所述发射极母排主体部的横向部与所述集电极母排主体部的横向部构造为不完全重合。
在一个实施方式中，所述发射极母排和所述集电极母排的引脚均为两个，且所述发射极母排的两个引脚与所述发射极母排的主体部连接的位置和所述集电极母排的两个引脚与所述集电极母排的主体部连接的位置彼此不相对应。
在一个实施方式中，所述发射极母排主体部的横向部和所述集电极母排主体部的横向部均设有凹槽，以缓和所述发射极母排主体部的横向部与所述集电极母排主体部的横向部不完全重合所引起的剪应力传递效应。
在一个实施方式中，所述凹槽纵向设置在所述发射极母排主体部的横向部和所述集电极母排主体部的横向部，且所述凹槽的长度不超过所述发射极母排主体部的横向部或所述集电极母排主体部的横向部宽度的一半。
在一个实施方式中，所述发射极母排主体部的竖向部和所述集电极母排主体部的竖向部均设有一压槽，以便使所述发射极母排主体部的竖向部和所述集电极母排主体部的竖向部沿所述凹槽弯折。
第二方面，本申请提供一种IGBT功率模块，包括根据第一方面所述的母排端子。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
1)本申请的母排端子将引脚出进行了弯折处理，弯折后的平台能够更好地与衬板进行连接。
2)本申请的母排端子将引脚设计为“中”字型结构，一方面可以释放超声焊接工艺中所产生的机械应力以及后续大电流工况下的热电耦合应力，另一方面，还能将端子的电流一分为二，消减洛伦兹力在端部的电磁扭矩。
3)本申请的母排端子，发射极母排主体部的竖向部与集电极母排主体部的竖向部分别朝向不同的方向，且发射极母排主体部的横向部与集电极母排主体部的横向部构造为不完全重合，进一步增强了动态电流工况下母排的电磁扭矩耐受力。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了根据本申请的一种母排端子的结构示意图。
图2显示了将图1所示的母排端子与衬板连接后的结构示意图。
图3显示了大功率IGBT模块的结构示意图。
图4显示了图3进行顶部封壳后的结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，显示了根据本申请的一种母排端子10。如图1所示，该母排端子10包括发射极母排1和集电极母排2，发射极母排1和集电极母排2均包括一主体部11,21和设置在主体部11,21底部的引脚12,22。其中，引脚12,22包括与主体部11,21连接的管脚踝部121,221，及与管脚踝部121,221连接的末端部122,222，管脚踝部121,221和末端部122,222位于不同平面，也即管脚踝部121,221和末端部122,222之间呈一定角度，该角度不为180度。优选地，管脚踝部121,221和末端部122,222呈90度。
在图1所示的实施例中，管脚踝部121,221的纵截面构造为“中”字型。一方面，该“中”字型结构能够使流经母排端子引脚处的主电流一分为二，且两路电流在空间上保持了一定距离，由此可以削弱母排端子10引脚的管脚踝处在动态电流工况下的洛伦兹力应力，从而增强母排端子10的机械结构的可靠性。另一方面，该“中”字型结构能够增加母排端子10引脚处的柔韧性和伸缩能力，进而缓冲在超声焊接工艺中高频机械振动对母排端子引脚12,22及主体部11,21的金属疲劳磨损。可以理解地，管脚踝部121,221的纵截面构造为环形结构，只要能够实现上述功能即可。
在图1中，发射极母排1的主体部11的纵截面，及集电极母排2的主体部21的纵截面均构造为“L”型结构，发射极母排1的主体部11与集电极母排2的主体部21均包括一竖向部111,211和一横向部112,212。
优选地，发射极母排1和集电极母排2之间相互平行，且发射极母排1的主体部11的竖向部111与集电极母排2的主体部21的竖向部211分别朝向不同的方向，发射极母排1的主体部11的横向部112与集电极母排2的主体部21的横向部212构造为不完全重合，也即二者相互错开设置。
在图1中，发射极母排1和集电极母排2的引脚均为两个，且发射极母排1的两个引脚与发射极母排1的主体部11连接的位置和集电极母排2的两个引脚与集电极母排2的主体部21连接的位置彼此不相对应。也即发射极母排1的两个引脚与集电极母排2的两个引脚彼此错开，完全没有重合。由于该母排端子10的引脚之间完全没有重合，发射极母排和集电极母排的引脚的管脚踝处在动态电流变化过程中感应的磁场叠加效应被削弱，从而其受到洛伦兹力扭矩的影响也相应地被削弱。
优选地，如图1所示，发射极母排1的主体部11的横向部112和集电极母排2的主体部21的横向部212均设有凹槽，图1中，仅示出了发射极母排1上凹槽1121，集电极母排2上的凹槽并未示出，该凹槽可以缓和发射极母排1的主体部11的横向部112与所述集电极母排2的主体部21的横向部212由于不完全重合所引起的剪应力传递效应。优选地，该凹槽纵向设置在发射极母排1和集电极母排2的主体部的中间位置，且靠近主体部的底部。更加优选地，凹槽长度不超过发射极母排1的主体部11的横向部112或集电极母排2的主体部21的横向部212宽度的一半。
发射极母排1的主体部11的竖向部111和集电极母排2的主体部21的竖向部211均设有一压槽1111，2111，以便使发射极母排1的主体部11的竖向部111和集电极母排2的主体部21的竖向部211沿凹槽1111，2111弯折。
图2为将图1所示的根据本申请的母排端子10与衬板20互连的结构示意图。参考图2，标号201和202所指为结构和布局完全相同的陶瓷衬板，该陶瓷衬板从上之下依次为金属层、陶瓷绝缘层和金属层，其中，金属层可以使铜层，滤层或其他适合焊接或烧结工艺的在金属层表面添加的镀层。陶瓷绝缘层为高耐压陶瓷层，根据不同绝缘电压等级需求，可以选用不同厚度的陶瓷材料。
图2所示的实施例中，以陶瓷衬板201为例进行说明，陶瓷衬板201由四个IGBT芯片2011和两个二极管芯片2012组成，IGBT芯片2011和二极管芯片2012可以通过焊接、银烧结或铜烧结的方式粘连到陶瓷衬板201上。其中，四个IGBT芯片2011的发射极电级和两个二极管芯片2012的阳极电极经由键合线连接到金属层2013上，四个IGBT芯片2011的集电极电级和两个二极管芯片2012的阴极电极经由键合线连接到金属层2014上。
图3示出了将图2所示的子模块单元(根据本申请的母排端子10与衬板20互连)进行装配的大功率IGBT模块的结构示意图。该图中，示出了三组如图2所示的子模块单元301,302,303。三组子模块单元301,302,303通过焊接的方式固定到基板304上，边框外壳305为采用传统塑料制备工艺制作的适用于功率半导体模块的塑料封装外壳。可以理解地，子模块单元的数量可以为大于等于1的任意整数，子模块之间相互配合可以组成不同功率等级和不同拓扑结构的功率半导体模块。
图4示出了根据图3所示的大功率IGBT模块的立体图。在图3所示的边框外壳304已固定的基础上，将顶部封壳306按对应的母排端子预留的安装位置竖直插入并装配，然后通过螺钉和封装胶将顶部封壳306与边框外壳固定在一起。发射极母排1和集电极母排2上，各自的竖向部111，211能够弯折的端部设有通孔，如图1所示，通孔1112用于穿设螺栓。该通孔1112的横截面可以构造为腰孔形或者椭圆形等形状，以满足发射极母排1和集电极母排2的制造要求，并能弥补发射极母排1和集电极母排2在键合工艺时产生的位置误差。将螺帽放置于顶部封壳306的六边形槽307内，然后将母排端子10露出顶部封壳306外的端部沿压槽1111，2111进行90度折弯，完成模块的整体封装。
综上所述，申请具有以下优点：
1)本申请的母排端子将引脚出进行了弯折处理，弯折后的平台能够更好地与衬板进行连接。
2)本申请的母排端子将引脚设计为“中”字型结构，一方面可以释放超声焊接工艺中所产生的机械应力以及后续大电流工况下的热电耦合应力，另一方面，还能将端子的电流一分为二，消减洛伦兹力在端部的电磁扭矩。
3)本申请的母排端子，发射极母排主体部的竖向部与集电极母排主体部的竖向部分别朝向不同的方向，且发射极母排主体部的横向部与集电极母排主体部的横向部构造为不完全重合，进一步增强了动态电流工况下母排的电磁扭矩耐受力。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种母排端子，其特征在于，应用于大功率IGBT模块，所述母排端子包括发射极母排和集电极母排，所述发射极母排和所述集电极母排均包括一主体部和设置在所述主体部底部的引脚，
其中，所述引脚包括与所述主体部连接的管脚踝部，及与所述管脚踝部连接的末端部，所述管脚踝部和所述末端部呈90度；
所述管脚踝部的纵截面构造为“中”字型。
2.根据权利要求1所述的母排端子，其特征在于，所述发射极母排的主体部的纵截面及所述集电极母排的主体部的纵截面均构造为“L”型结构，所述发射极母排的主体部与所述集电极母排的主体部均包括一竖向部和一横向部。
3.根据权利要求1所述的母排端子，其特征在于，所述发射极母排和所述集电极母排之间相互平行，
且所述发射极母排主体部的竖向部与所述集电极母排主体部的竖向部朝向相反的方向，所述发射极母排主体部的横向部与所述集电极母排主体部的横向部构造为不完全重合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的母排端子，其特征在于，所述发射极母排和所述集电极母排的引脚均为两个，且所述发射极母排的两个引脚与所述集电极母排的两个引脚彼此错开，完全没有重合。
5.根据权利要求2所述的母排端子，其特征在于，所述发射极母排主体部的横向部和所述集电极母排主体部的横向部均设有凹槽，以缓和所述发射极母排主体部的横向部与所述集电极母排主体部的横向部不完全重合所引起的剪应力传递效应。
6.根据权利要求5所述的母排端子，其特征在于，所述凹槽纵向设置在所述发射极母排主体部的横向部或所述集电极母排主体部的横向部，且所述凹槽的长度不超过所述发射极母排主体部的横向部或所述集电极母排主体部的横向部宽度的一半。
7.根据权利要求2所述的母排端子，其特征在于，所述发射极母排主体部的竖向部和所述集电极母排主体部的竖向部均设有一压槽，以便使所述发射极母排主体部的竖向部和所述集电极母排主体部的竖向部沿所述压槽弯折。
8.一种IGBT功率模块，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的母排端子。
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