一种单开关IGBT模块的芯片布局结构

摘要

本发明公开了一种单开关IGBT模块的芯片布局结构，由三组IGBT芯片组构成；每组IGBT芯片组由8颗IGBT芯片和反并联的4颗续流二极管FRD芯片构成；所述每组IGBT芯片组均焊接在上下两个DBC衬板上；上下两个DBC衬板上，位于左上和右上位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置；位于左下和右下位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置；反并联的续流二极管FRD芯片位于同一个DBC衬板的上下两颗IGBT芯片之间。本发明结构中IGBT芯片的结温温升降低约2℃，芯片结温温升的降低，有利于芯片的长期稳定运行。

说明书

技术领域

本发明属于可控功率半导体器件技术领域，具体涉及一种单开关IGBT模块的芯片布局结构。

背景技术

传统单开关IGBT模块的芯片布局如图1 所示，由三组IGBT芯片组构成，每组IGBT芯片组由8颗IGBT芯片和反并联的4颗续流二极管FRD构成，第一组IGBT芯片1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8与反并联的FRD芯片1-9、1-10、1-11、1-12背面焊接在DBC衬板1、2上，各芯片正面通过键合线组10-1、10-2实现连接；第二组IGBT芯片2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8与反并联的FRD芯片2-9、2-10、2-11、2-12背面焊接在DBC衬板3、4上，各芯片正面通过键合线组10-3、10-4实现连接；第三组IGBT芯片3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8与反并联的FRD芯片3-9、3-10、3-11、3-12背面焊接在DBC衬板5、6上，各芯片正面通过键合线组10-5、10-6实现连接；DBC衬板1、2、3、4、5、6焊接在基板7上；三组IGBT芯片组各由正极端子8与负极端子9与外电路相连。

上述传统单开关IGBT模块的芯片布局中，由于IGBT芯片、FRD芯片呈顺次一致分布，一般未对IGBT芯片、FRD芯片的由损耗产生在基板上温升的均匀性进行详细考虑。对于芯片电流增大时，导致更加明显的热耦合效应，温度不均匀性明显增加，大大增加了高结温芯片的失效隐患。从IGBT芯片与FRD芯片由于其大小、损耗的不同产生一定的温度梯度，导致底板温度不均匀，由于热耦合效应，在芯片电流增大时，温度不均匀性明显增加，大大增加了高结温芯片的失效隐患。芯片的结温过高，容易导致芯片失效甚至损坏主电路，为此，有必要采取相应布局调整、优化措施来改善某些IGBT芯片的结温温升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单开关IGBT模块的芯片布局结构,解决现有模块中IGBT芯片结温温升较高的问题，通过进一步优化芯片布局，降低芯片结温，避免芯片过早失效。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种单开关IGBT模块的芯片布局结构，由三组IGBT芯片组构成；每组IGBT芯片组由8颗IGBT芯片和反并联的4颗续流二极管FRD芯片构成；所述每组IGBT芯片组均焊接在上下两个DBC衬板上；DBC衬板焊接在基板上；所述每组IGBT芯片组配置正极端子与负极端子，三组IGBT芯片组通过正极端子与负极端子与外电路相连；DBC衬板上各芯片正面通过键合线组连接；

所述上下两个DBC衬板上，位于左上和右上位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置；位于左下和右下位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置；反并联的续流二极管FRD芯片位于同一个DBC衬板的上下两颗IGBT芯片之间。

进一步的，所述每组IGBT芯片组中，每4颗IGBT芯片和反并联的2颗续流二极管FRD芯片背面焊接在一个DBC衬板上。

进一步的，每个DBC衬板上的4颗IGBT芯片和2颗续流二极管FRD芯片关于DBC衬板中心呈对称分布。

进一步的，所述每组IGBT芯片组中，上DBC衬板和下DBC衬板关于IGBT模块基板的中线以及基板中心对称分布。

进一步的，所述IGBT芯片与FRD芯片的尺寸根据电压电流需求进行调整。

进一步的，所述IGBT芯片与FRD芯片是基于硅、碳化硅和氮化镓的芯片。

进一步的，所述基板为AlSiC基板。

本发明达到的有益效果为：

本发明提出的一种多芯片并联单开关IGBT模块的芯片布局，通过仿真计算IGBT模块功率损耗、仿真模拟IGBT模块稳态工作时IGBT芯片的温度分布，计算得到IGBT芯片的结温温升。IGBT芯片位置更换以及栅极位置改动，使IGBT芯片相互的热耦合效应降低，从而布局中结温最高的IGBT芯片温度下降；在相同工况损耗下，通过与原始IGBT模块的中对应的IGBT芯片结温温升比对可知，本发明结构中IGBT芯片的结温温升降低约2℃，芯片结温温升的降低，有利于芯片的长期稳定运行。

附图说明

图1为传统单开关IGBT模块的芯片布局；

图2为本发明提出的单开关IGBT模块的芯片布局。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种单开关IGBT模块的芯片布局结构，由三组IGBT芯片组构成。每组IGBT芯片组由8颗IGBT芯片和反并联的4颗续流二极管FRD芯片构成。每组IGBT芯片组均焊接在上下两个DBC衬板上，具体的，每4颗IGBT芯片和反并联的2颗续流二极管FRD芯片背面焊接在一个DBC衬板上。每组IGBT芯片组配置正极端子与负极端子，三组IGBT芯片组通过正极端子与负极端子与外电路相连。

具体的，每组IGBT芯片组中，上DBC衬板和下DBC衬板关于IGBT模块基板的中线以及基板中心对称分布。

具体的，每个DBC衬板上的4颗IGBT芯片和2颗续流二极管FRD芯片关于DBC衬板中心呈对称分布。

具体的，每组IGBT芯片组中，上DBC衬板和下DBC衬板上，位于左上和右上位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置；位于左下和右下位置的IGBT芯片的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置；反并联的续流二极管FRD芯片位于一个DBC衬板的上下两颗IGBT芯片之间。各芯片正面通过键合线组实现连接。

优选的，IGBT芯片与FRD芯片的尺寸可以根据电压电流需求进行调整。

优选的，IGBT芯片与FRD芯片是基于硅、碳化硅和氮化镓的芯片。

实施例

本发明实施例提供一种多芯片并联的单开关IGBT模块的芯片布局结构，在图1所示的布局结构上，进行如下改进：

对于第一组IGBT芯片组：IGBT芯片1-3、1-4、1-7、 1-8的位置保持不变，IGBT芯片1-1与FRD芯片1-9位置互换，IGBT芯片1-2与FRD芯片1-10位置互换，IGBT芯片1-5与FRD芯片1-11位置互换，IGBT芯片1-6与FRD芯片1-12位置互换，IGBT芯片1-1、1-2、1-5、1-6的栅极由IGBT芯片的中心位置向上平行移动至IGBT芯片的上部中间位置，IGBT芯片1-3、1-4、1-7、1-8的栅极由IGBT芯片的中心位置向下平行移动至IGBT芯片的下部中间位置；对于第二组IGBT芯片组：IGBT芯片2-3、2-4、2-7、2-8的位置保持不变，IGBT芯片2-1与FRD芯片2-9位置互换，IGBT芯片2-2与FRD芯片2-10位置互换，IGBT芯片2-5与FRD芯片2-11位置互换，IGBT芯片2-6与FRD芯片2-12位置互换， IGBT芯片2-1、2-2、2-5、2-6的栅极由IGBT芯片的中心位置向上平行移动至IGBT芯片的上部中间位置，IGBT芯片2-3、2-4、2-7、2-8的栅极由IGBT芯片的中心位置向下平行移动至IGBT芯片的下部中间位置；对于第三组IGBT芯片组：IGBT芯片3-3、3-4、3-7、3-8的位置保持不变，IGBT芯片3-1与FRD芯片3-9位置互换，IGBT芯片3-2与FRD芯片3-10位置互换，IGBT芯片3-5与FRD芯片3-11位置互换，IGBT芯片3-6与FRD芯片3-12位置互换， IGBT芯片3-1、3-2、3-5、3-6的栅极由IGBT芯片的中心位置向上平行移动至IGBT芯片的上部中间位置，IGBT芯片3-3、3-4、3-7、3-8的栅极由IGBT芯片的中心位置向下平行移动至IGBT芯片的下部中间位置。芯片位置互换后，键合线连接没有变化，DBC衬板上铜层布局相应调整。栅极位置移动后，栅极键合线打线更加顺畅。

基于上述改进，本发明实施例提供一种单开关IGBT模块芯片封装结构如图2所示：

由三组IGBT芯片组构成，每组IGBT芯片组由8颗IGBT芯片和反并联的4颗续流二极管FRD构成，每组IGBT芯片组均焊接在上下两个DBC衬板上。

第一组IGBT芯片组中，上DBC衬板1左上位置的IGBT芯片1-4和右上位置的IGBT芯片1-3的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片1-2和右下位置的IGBT芯片1-1的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片1-9位于IGBT芯片1-3和IGBT芯片1-1之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片1-10位于IGBT芯片1-4和IGBT芯片1-2之间；IGBT芯片1-1、1-2、1-3、1-4和反并联的续流二极管FRD芯片1-9、1-10背面焊接在上DBC衬板1上；上DBC衬板1上各芯片正面通过键合线组10-1实现连接；下DBC衬板2左上位置的IGBT芯片1-6和右上位置的IGBT芯片1-5的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片1-8和右下位置的IGBT芯片1-7的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片1-11位于IGBT芯片1-5和IGBT芯片1-7之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片1-12位于IGBT芯片1-6和IGBT芯片1-8之间；IGBT芯片1-5、1-6、1-7、1-8和反并联的续流二极管FRD芯片1-11、1-12背面焊接在下DBC衬板2上。下DBC衬板2上各芯片正面通过键合线组10-2实现连接。

第二组IGBT芯片组中，上DBC衬板3左上位置的IGBT芯片2-4和右上位置的IGBT芯片2-3的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片2-2和右下位置的IGBT芯片2-1的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片2-9位于IGBT芯片2-3和IGBT芯片2-1之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片2-10位于IGBT芯片2-4和IGBT芯片2-2之间；IGBT芯片2-1、2-2、2-3、2-4和反并联的续流二极管FRD芯片2-9、2-10背面焊接在上DBC衬板3上；上DBC衬板3上各芯片正面通过键合线组10-3实现连接；下DBC衬板4左上位置的IGBT芯片2-6和右上位置的IGBT芯片2-5的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片2-8和右下位置的IGBT芯片2-7的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片2-11位于IGBT芯片2-5和IGBT芯片2-7之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片2-12位于IGBT芯片2-6和IGBT芯片2-8之间；IGBT芯片2-5、2-6、2-7、2-8和反并联的续流二极管FRD芯片2-11、2-12背面焊接在下DBC衬板4上。下DBC衬板4上各芯片正面通过键合线组10-4实现连接。

第三组IGBT芯片组中，上DBC衬板5左上位置的IGBT芯片3-4和右上位置的IGBT芯片3-3的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片3-2和右下位置的IGBT芯片3-1的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片3-9位于IGBT芯片3-3和IGBT芯片3-1之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片3-10位于IGBT芯片3-4和IGBT芯片3-2之间；IGBT芯片3-1、3-2、3-3、3-4和反并联的续流二极管FRD芯片3-9、3-10背面焊接在上DBC衬板5上；上DBC衬板5上各芯片正面通过键合线组10-5实现连接；下DBC衬板6左上位置的IGBT芯片3-6和右上位置的IGBT芯片3-5的栅极位于IGBT芯片的下部中间位置，左下位置的IGBT芯片3-8和右下位置的IGBT芯片3-7的栅极位于IGBT芯片的上部中间位置，一颗反并联的续流二极管FRD芯片3-11位于IGBT芯片3-5和IGBT芯片3-7之间，另一颗反并联的续流二极管FRD芯片3-12位于IGBT芯片3-6和IGBT芯片3-8之间；IGBT芯片3-5、3-6、3-7、3-8和反并联的续流二极管FRD芯片3-11、3-12背面焊接在下DBC衬板6上。下DBC衬板6上各芯片正面通过键合线组10-6实现连接。

DBC衬板1、2、3、4、5、6焊接在AlSiC基板7上；三组IGBT芯片组各由正极端子8与负极端子9与外电路相连。每颗DBC衬板的4颗IGBT芯片与2颗FRD芯片分别关于DBC衬板中心呈对称分布，上下DBC衬板分别关于模块中线以及中心对称分布。

优选的，IGBT芯片和FRD芯片的尺寸可以调整。

优选的，IGBT芯片与FRD芯片是基于硅、碳化硅和氮化镓的芯片。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。