具备静电屏蔽功能的IGBT模块及其制作方法与流程

具备静电屏蔽功能的igbt模块及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及半导体器件制造领域，具体为一种具备静电屏蔽功能的igbt模块及其制作方法。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)是由双极型三极管(bipolar junction transistor，bjt)和绝缘栅型场效应管(metal oxide semiconductor，mos)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。近年来，igbt凭借其所具备的高输入阻抗、低导通压降、低驱动功率等优势，已经广泛应用于轨道交通、家用电器、智能电网、新能源汽车等领域。
3.igbt器件的基本封装方式分为以下三大类：一是注塑封装，如单管、单列或者双列直插式封装；二是灌封封装，如芯片模块封装、混合集成封装；三是其他特殊封装，如平板压接封装、全压接封装。一个基本的功率半导体器件模块由功率半导体芯片、用于绝缘的金属化基板、金属底板、焊料、密封材料、电气互联和外壳七部分组成。在生产中，会有多种不同的工艺方法来实现igbt模块的封装，而实际工艺方法的选择需要综合考虑到产品性能与可靠性要求、产能、成本、环境、生产周期等诸多方面。典型的igbt模块封装工艺大致都包含以下工艺流程：焊片的装配或焊膏的印刷、将igbt和fred芯片等装配到陶瓷基板上、真空焊接、清洗、铝丝或者铜丝键合、将陶瓷基板焊接到底板上、将电极焊接到陶瓷基板上、外壳装配和密封、硅凝胶灌封、电极成型、测试、激光打印（二维码和产品标示）等。
4.由于igbt封装是一个多学科交叉的综合技术，所以往往是以功率模块的方式应用。功率模块是将多个功率半导体芯片如igbt芯片、fred芯片按照一定的拓扑功能封装在一起的集合体，这其中需要利用焊接、衬板、功率端子互连，形成单开关、半桥、全桥等拓扑电路结构；利用焊层、衬板、基板等形成良好的散热通道；利用硅凝胶、环氧、管壳等形成支撑、绝缘等保护技术，即在焊接和键合后用硅凝胶充分覆盖，可使得元件被充分绝缘、避免环境损害。在一个功率模块中，功率半导体芯片底面被焊接于绝缘基板的金属化层上；该绝缘基板使得芯片底部能够实现电气连接，同时还拥有良好的导电性能、并且能与散热底板实现电气连接。此外，无源元件如栅极电阻、温度传感器（如ntc热敏电阻等）也可以被集成到igbt模块中。
5.然而，通过上述常规制作工艺制作而成的igbt模块中，igbt的快速开关特点会产生极高的瞬态电压变化率和电流变化率，从而形成内部电场干扰源，这就是静电干扰的主要来源；同时，外电场的存在也会对器件形成外部干扰，而这些干扰信号会影响装备自身和附近其他电器件的正常工作。因此，针对上述问题，本发明提出一种具备静电屏蔽功能的igbt模块及其制作方法，以成功屏蔽模块内外的干扰信号、从而保证igbt器件的稳定工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种具备静电屏蔽功能的igbt模块及其制作方法，能够有效减少igbt模块中的静电干扰、进而提高igbt器件的抗干扰能力，以解决常规制作工艺制作而成的传统igbt模块中，由于存在着无法屏蔽的内外干扰信号，而导致器件的稳定工作受到负面影响的问题。
7.本发明是采用以下技术方案实现的：一种具备静电屏蔽功能的igbt模块的制作方法，包括如下步骤：s1：制作封装基板；s2：将封装基板贴装到金属底板上；s3：将静电屏蔽体装配到金属底板上；s4：其他装配与相关处理工作；s5：模块测试与性能评估。
8.上述步骤中，与常规的igbt模块制作工艺相比，主要增设了s3：将静电屏蔽体装配到金属底板上；由此，制作而成的igbt模块可通过静电屏蔽体来有效屏蔽内部和外部的电场干扰源。
9.进一步的，所述s1包括如下子步骤：s1-1：芯片贴片；s1-2：一次回流；s1-3：清洗；s1-4：打孔与空洞检验；s1-5：键合。
10.进一步的，所述s1-1中，将igbt芯片和fred芯片装配到绝缘基板上，完成贴片工作，而后执行s1-2。
11.进一步的，所述s1-2中，将igbt芯片和fred芯片焊接到绝缘基板上，而后执行s1-3。
12.进一步的，所述s1-3中，使用专用溶剂和清洗机器对焊接有芯片的绝缘基板进行清洗，而后执行s1-4。
13.进一步的，所述s1-4中，在绝缘基板上打孔，形成孔洞，并用x-ray观察空洞情况是否符合标准要求，而后执行s1-5。
14.进一步的，所述s1-5中，将若干条铝线的两端分别连接在芯片和绝缘基板的金属化层上。
15.进一步的，所述s4包括如下子步骤：s4-1：引线与信号端子装配；s4-2：二次回流；s4-3：再清洗；s4-4：信号端子焊接；s4-5：外壳装配；s4-6：灌胶固化。
16.一种具备静电屏蔽功能的igbt模块，由以上所述的制作方法制作而成，包括金属
底板，金属底板上设有封装基板和静电屏蔽体。
17.本igbt模块中，静电屏蔽体与金属底板形成闭合静电屏蔽，从而可以有效屏蔽外电场对于封装基板上元器件（igbt芯片和fred芯片）的影响，即实现外屏蔽；同时，静电屏蔽体和地连接，使得电场终止在静电屏蔽体的表面、并把电荷转送入地，从而可以有效屏蔽静电屏蔽体内的电场干扰源对于自身及外界的影响，即实现内屏蔽；由此，综合实现全屏蔽，以有效的抵抗静电干扰，保证器件的工作稳定性。
18.进一步的，所述静电屏蔽体和金属底板之间的空腔内设有封装基板，静电屏蔽体包括无底盖的长方形体金属外壳，金属外壳的一个顶角上引出接地端子。
19.本发明实现的有益效果是：一种具备静电屏蔽功能的igbt模块的制作方法，与常规的igbt模块制作工艺相比，还需要将静电屏蔽体装配到金属底板上；由此，使得制成的igbt模块中，可以通过静电屏蔽体与金属底板形成的闭合静电屏蔽来实现对外部电场干扰源的屏蔽，并通过静电屏蔽体与地的连接来有效屏蔽静电屏蔽体内的电场干扰源对于自身及外界的影响；从而综合实现全屏蔽，以有效增强igbt模块的抗静电干扰能力，进一步地保证igbt器件的工作稳定性。
附图说明
20.图1是本发明实施例1所述制作方法的流程示意图；图2是本发明实施例1所述制作方法中步骤s1-4的执行结果示意图；图3是本发明实施例1所述制作方法中步骤s1-5的执行结果示意图；图4是本发明实施例2所述igbt模块的剖面结构示意图；图5是本发明实施例2所述igbt模块中静电屏蔽体的结构示意图；图6是本发明实施例2所述传统igbt模块中封装基板受到内部和外部电场干扰的状态示意图；图7是本发明实施例2所述（装配外壳后的）igbt模块抵抗内部和外部电场干扰的原理示意图；图中：1、封装基板；2、静电屏蔽体；3、金属底板；4、绝缘基板；5、igbt芯片；6、fred芯片；7、孔洞；8、金属外壳；9、接地端子；10、焊接端子；11、外壳；12、铝线。
具体实施方式
21.为清楚说明本发明中的方案，下面结合附图做进一步说明：
实施例1
22.请参照图1至图3，一种具备静电屏蔽功能的igbt模块的制作方法，包括如下步骤：s1：制作封装基板1；具体地，包括如下子步骤：s1-1：芯片贴片；将焊膏印刷到绝缘基板4（direct bonded copper，dbc）上，而后将igbt芯片5和fred芯片6等装配到绝缘基板4上；s1-2：一次回流；
将igbt芯片5和fred芯片6焊接到绝缘基板4上；s1-3：清洗；使用专用的溶剂和清洗机器对焊接有芯片的绝缘基板4进行清洗；s1-4：打孔与空洞7检验；如图2所示，在绝缘基板4上均匀打出4个孔洞7（参照实施例2，要求孔洞7的位置要与金属外壳8底角上焊接端子10的位置相匹配，并且孔洞7的尺径要大于焊接端子10的尺径），后续使用x-ray观察空洞（空洞指的是焊接过程中锡膏中形成的空洞）情况，以检查孔洞7是否符合标准要求；s1-5：键合；如图3所示，将若干条铝线12分为2组，将其中一组铝线12的两端分别连接在igbt芯片5和绝缘基板4的金属化层上，将另一组铝线12的两端分别连接在fred芯片6和绝缘基板4的金属化层上，以实现igbt芯片5/fred芯片6与绝缘基板4的电气互联，形成封装基板1；s2：将封装基板1贴装到金属底板3上；s3：将静电屏蔽体2装配到金属底板3上；装配时，需要将金属外壳8底角上的4个焊接端子10对应插入到绝缘基板4的相应孔洞7上；s4：其他装配与相关处理工作；具体地，包括如下子步骤：s4-1：引线与信号端子装配；将引线和信号端子装配到封装基板1上；s4-2：二次回流；将封装基板1、静电屏蔽体2（中的金属外壳8）、引线焊接到金属底板3上实现固定；s4-3：再清洗；使用专用的溶剂和清洗机器对金属底板3、封装基板1和静电屏蔽体2（中的金属外壳8）进行清洗；s4-4：信号端子焊接；将信号端子焊接到金属底板3上；s4-5：外壳11装配；将外壳11装配到金属底板3、封装基板1和静电屏蔽体2（中的金属外壳8）形成的整体的外部（参照实施例2，静电屏蔽体2中的接地端子9伸出外壳11）；s4-6：灌胶固化；为了增加密封性能和机械密度，在外壳11的壳体内灌注硅凝胶，并进行高温固化；s5：模块测试与性能评估；对igbt模块进行静态、动态、短路和soa等测试，根据各项测试结果对其性能进行评估。
23.本实施例中，与常规的igbt模块制作工艺相比，主要增设了s3：将静电屏蔽体2装配到金属底板3上；由此，制作而成的igbt模块可通过静电屏蔽体2来有效屏蔽内部和外部的电场干扰源。
实施例2
24.请参照图4至图7，一种具备静电屏蔽功能的igbt模块，包括金属底板3（本实施例中金属底板3具体为铜底板），金属底板3的上表面贴装有封装基板1，封装基板1上方设有静电屏蔽体2，静电屏蔽体2的底端穿过封装基板1后焊接在金属底板3上，具体来说：封装基板1包括绝缘基板4（本实施例中绝缘基板4具体为敷铜陶瓷基板），绝缘基板4上贴装有igbt芯片5和fred芯片6，igbt芯片5和fred芯片6分别连接一组铝线12的一端，两组铝线12的另一端则对应连接在绝缘基板4的金属化层上的相应位置处，绝缘基板4上表面均匀开设有4个空洞7；静电屏蔽体2包括无底盖的长方形体金属外壳8（本实施例中金属外壳8为逆磁材料铜），金属外壳8的一个顶角上通过接线引出接地端子9，金属外壳8的4个底角上均设有焊接端子10，4个焊接端子10与绝缘基板4上开设的4个空洞7相适配，即4个焊接端子10对应穿过相应孔洞7后被焊接在金属底板3上；另外，引线和信号端子装配在封装基板1上；金属底板3、封装基板1和金属外壳8形成的整体的外部罩设有外壳11，接地端子9伸出外壳11。
25.本实施例的工作原理如下：未装配静电屏蔽体2之前，传统igbt模块中封装基板1受到的内部和外部电场干扰如图6所示；在本实施例中，igbt模块抵抗内部和外部电场干扰的原理如图7所示，因此本igbt模块具备较强的抗静电干扰能力，从而能够进一步地保证igbt器件的工作稳定性。具体来说，本igbt模块中，利用铜底板的导电性，静电屏蔽体2与金属底板3形成闭合静电屏蔽，从而可以有效屏蔽外电场对于封装基板1上元器件（igbt芯片5和fred芯片6）的影响，即实现外屏蔽；同时，静电屏蔽体2和地连接，使得电场终止在金属外壳8的表面、并把电荷转送入地，从而可以有效屏蔽金属外壳8空腔内的电场干扰源对于自身及外界的影响，即实现内屏蔽，此时金属外壳8内部的电场强度总是为零，即使存在电荷，即金属外壳8内、外面都存在感生电荷，但金属外壳8表面的感生电荷转送入地而被中和，从而相应的消除了金属外壳8内表面的感生电荷及其影响。
26.当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。