一種大功率壓接式igbt器件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種大功率壓接式IGBT器件。IGBT器件為圓柱體或矩形體，所述IGBT器件包括管殼以及設(shè)置在管殼上下兩端的兩個(gè)功率電極，上功率電極為平板結(jié)構(gòu)，下功率電極其中一面分布凸臺陣列。器件內(nèi)部在每個(gè)凸臺上會設(shè)置子模組，子模組分為IGBT子模組和FWD子模組兩類。IGBT和FWD子模組均包括功率芯片、多片金屬墊片和絕緣框架；功率芯片包括IGBT芯片和FWD芯片兩組。子模組中的IGBT芯片和FWD芯片均為厚度100-1000微米的矩形硅片。壓接IGBT器件內(nèi)部無任何焊點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，依靠器件外部施加的數(shù)十牛壓力實(shí)現(xiàn)芯片和上下功率電極的良好連接，提高了器件可靠性，降低了工藝復(fù)雜度。
【專利說明】一種大功率壓接式IGBT器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種功率器件，具體講涉及一種大功率壓接式IGBT器件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前發(fā)展最為迅猛的電力電子器件絕緣柵雙極晶體管IGBT廣泛應(yīng)用于新能源、輸變電、軌道交通、冶金、化工等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的焊接模塊式IGBT器件比，壓接式IGBT除具有無焊點(diǎn)、雙邊冷卻、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)外，在發(fā)生故障時(shí)失效形式為短路，在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)并不會因?yàn)閭€(gè)別器件的失效而引起整個(gè)裝置的運(yùn)行中斷，因此非常適合于有高耐壓要求的電力系統(tǒng)應(yīng)用。現(xiàn)有壓接IGBT器件子模組部件不能通用，且IGBT與FWD芯片的布局并不能使電流路徑最優(yōu)化，從而影響器件整體性能。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種大功率壓接式IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)，該IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)外觀由上下兩個(gè)功率電極及側(cè)面的陶瓷管殼組成，內(nèi)部為多個(gè)包含功率芯片的子模組，每一個(gè)子模組內(nèi)包含一片功率芯片。隨整個(gè)器件電流等級的不同，壓接IGBT內(nèi)部并聯(lián)有數(shù)片至數(shù)十片功率芯片，即包含數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)子模組。本實(shí)用新型提高了器件可靠性，降低了工藝復(fù)雜度。
[0004]本實(shí)用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]本實(shí)用新型提供一種大功率壓接式IGBT器件，所述IGBT器件包括管殼以及設(shè)置在管殼兩端的兩個(gè)功率電極，其特征在于，其中一個(gè)功率電極分布凸臺陣列，在每個(gè)凸臺上設(shè)置子模組。
[0006]進(jìn)一步地，所述子模組分為IGBT芯片子模組和FWD芯片子模組，均包括絕緣框架、至少兩個(gè)金屬墊片和功率芯片；其中一個(gè)金屬墊片、功率芯片和另外的金屬墊片從上到下依次安裝在絕緣框架內(nèi)；
[0007]所述功率芯片包含IGBT芯片以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管FWD芯片；
[0008]所述IGBT芯片和FWD芯片均為厚度100-1000微米的矩形硅片。
[0009]進(jìn)一步地，當(dāng)為IGBT芯片子模組時(shí)對應(yīng)的功率芯片為IGBT芯片，當(dāng)為FWD芯片子模組時(shí)對應(yīng)的功率芯片為FWD芯片。
[0010]進(jìn)一步地，所述絕緣框架橫切面為正方形，在絕緣框架內(nèi)部正方形邊緣一角自上而下貫穿一個(gè)圓柱形的孔，該孔對于IGBT芯片子模組將放置柵極觸點(diǎn)，對于FWD芯片子模組將保持中空；
[0011]所述絕緣框架外部正方體邊沿每一面均分布兩個(gè)突起的條形柱，將外部正方體每個(gè)面均分為四等分，該條形柱約束功率芯片在子模組內(nèi)，兩個(gè)條形柱的分布使相鄰兩個(gè)子模組在組裝過程中任意方向嚙合。
[0012]進(jìn)一步地，在壓接IGBT芯子模組時(shí)，在所述絕緣框架下方圍繞凸臺下部放置柵極定位框架；所述柵極定位框架的橫切面為正方形且邊緣一角自上而下貫穿一個(gè)圓柱形的柵極定位孔，柵極觸點(diǎn)下部封裝于該孔中，柵極觸點(diǎn)上部伸入IGBT芯片絕緣框架中與IGBT芯片柵極焊盤接觸，形成電連接。
[0013]進(jìn)一步地，所述柵極定位框架上的圓柱形的柵極定位孔與IGBT芯片絕緣框架上的圓柱形的孔相互吻合；
[0014]柵極定位孔中放置有柵極觸點(diǎn)，柵極觸點(diǎn)上部與IGBT芯片的柵極焊盤接觸，其下部與導(dǎo)入IGBT芯片的柵極印制電路板接觸。
[0015]進(jìn)一步地，所述凸臺包括IGBT芯片子模組凸臺和FWD芯片子模組凸臺，IGBT子模組凸臺全部位于凸臺陣列的外圍邊沿，且IGBT子模組凸臺柵極一角設(shè)有一圓弧形空缺，所述圓弧空缺朝外，相鄰IGBT子模組凸臺柵極缺口一角兩兩相向；
[0016]所述IGBT子模組凸臺之間凹槽比FWD子模組凸臺之間凹槽深。
[0017]進(jìn)一步地，所述FWD芯片子模組凸臺采用整體凸臺，F(xiàn)WD芯片子模組凸臺集中于凸臺陣列中心區(qū)域排布，形成連通的整體凸臺；FWD芯片子模組凸臺間設(shè)有凹槽以定位絕緣框架。
[0018]進(jìn)一步地，IGBT芯片柵極電流導(dǎo)入IGBT芯片通過印制電路板方式實(shí)現(xiàn)；
[0019]所述印制電路板嵌在子模組凸臺的凹槽之間，在印制電路板表面覆有一層金或銅金屬組成的導(dǎo)電層；在導(dǎo)電層上與每一個(gè)IGBT芯片柵極觸點(diǎn)接觸點(diǎn)附近，均放置一個(gè)電阻，柵極電流經(jīng)所述電阻后進(jìn)入柵極觸點(diǎn)；印制電路板導(dǎo)電層與穿過管殼的柵極引針連接。
[0020]進(jìn)一步地，所述IGBT器件的底座下表面邊緣焊接有輔助發(fā)射極的電極引針；所述管殼為陶瓷材料的管殼。
[0021]進(jìn)一步地，IGBT芯片柵極電流導(dǎo)入IGBT芯片或通過軟連線方式實(shí)現(xiàn)；對于每個(gè)IGBT芯片柵極觸點(diǎn)，采用一根軟連線與穿過管殼的柵極引針相連，所有的軟連線長度均一致，且全部圍繞凸臺陣列外圍管殼內(nèi)壁分布；在引入IGBT芯片子模組前，在軟連線中接入電阻。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)比，本實(shí)用新型達(dá)到的有益效果是:
[0023]1、本實(shí)用新型提供的大功率壓接式IGBT器件，IGBT與FWD芯片子模組的絕緣框架兼容，高度減小，減少了組件的種類及用料消耗。子模組外側(cè)四周凸起的條形柱可用于相互嚙合定位，減少模組的偏移。此外，四周條柱的分布一致使其任意朝向都可和相鄰子模組嚙合，提高了子模組排布的靈活性。
[0024]2、對于FWD芯片子模組，整體凸臺減小了 FWD導(dǎo)通時(shí)器件的寄生電阻和電感，改善了器件的電氣特性。此外，整體凸臺增強(qiáng)了并聯(lián)FWD芯片之間的熱耦合，當(dāng)故障狀態(tài)下某一芯片高溫?zé)龤?，器件整體呈短路狀態(tài)，此時(shí)鄰近芯片受燒毀芯片的影響溫度同步上升至燒毀短路，電流導(dǎo)通總的截面積增大了，從而減小了導(dǎo)通電阻，有利于降低損耗，提高器件導(dǎo)通工作特性。
[0025]3、在每一個(gè)IGBT芯片柵極電流路徑均設(shè)置了一個(gè)電阻，該電阻將有效抑制由于IGBT芯片及封裝結(jié)構(gòu)中寄生參數(shù)引起的聞?lì)l振蕩，減小器件內(nèi)部的電磁干擾和損耗，同時(shí)該電阻可改善并聯(lián)IGBT芯片在開關(guān)過程中的電流均勻分布，避免部分IGBT芯片因承受過大電流引起的燒毀。
[0026]4、IGBT芯片柵極電流導(dǎo)入采用印制電路板，減小了柵極電流路徑的寄生參數(shù)，同時(shí)可作為柵極觸點(diǎn)與底部電極的絕緣隔離，簡化了器件整體結(jié)構(gòu)。[0027]5、所有IGBT芯片柵極一角均處于凸臺陣列的四周邊沿而非陣列內(nèi)側(cè)，從而避免了柵極控制電流處于功率電流的中心區(qū)域，極大地降低了實(shí)際工作中的功率電流產(chǎn)生的交變電磁場對柵極控制的影響，提高了器件的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本實(shí)用新型提供的IGBT芯片表面焊盤分布；
[0029]圖2是本實(shí)用新型提供的子模組絕緣框架結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖3是本實(shí)用新型提供的子模組組裝結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖4是本實(shí)用新型提供的柵極定位框架結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖5是本實(shí)用新型提供的壓接IGBT器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0033]圖6是本實(shí)用新型提供的FWD整體凸臺示意圖；
[0034]其中:1-柵極，2-發(fā)射極，3-條形柱，4-柵極定位孔I，5-絕緣框架，6_金屬墊片，7-1GBT或FWD芯片，8-柵極定位孔II，9_IGBT凸臺，10-FWD凸臺，11-柵極印制電路板，12-柵極引針，13-發(fā)射極引針，14-FWD整體凸臺。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0036]本實(shí)用新型提供一種大功率壓接式IGBT器件，壓接IGBT器件外觀由兩個(gè)功率電極及側(cè)面的陶瓷管殼組成，所述兩個(gè)功率電極分別設(shè)置在管殼的兩端。兩個(gè)功率電極內(nèi)部為多個(gè)包含功率芯片的子模組，每一個(gè)子模組內(nèi)包含一片功率芯片。隨整個(gè)器件電流等級的不同，壓接IGBT器件內(nèi)部并聯(lián)有數(shù)片至數(shù)十片功率芯片，即包含數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)子模組。壓接IGBT器件內(nèi)部的功率芯片包含IGBT芯片以及與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管FWD芯片兩種。通常情況下，IGBT芯片和FWD芯片均為厚度數(shù)百微米的矩形薄硅片。IGBT芯片有三個(gè)電極，正面為發(fā)射極2和柵極1，反面為集電極，IGBT芯片表面焊盤分布如圖1所示。FWD芯片有兩個(gè)電極，正面為陽極，反面為陰極。壓接IGBT器件內(nèi)部為實(shí)現(xiàn)芯片的定位，在其中一個(gè)功率電極分布多個(gè)凸臺，每一個(gè)凸臺與一個(gè)子模組嵌套。每個(gè)子模組由功率芯片以及多層金屬墊片層疊組裝于一個(gè)絕緣框架5而成，IGBT和FWD芯片由于電極數(shù)量的不同，因此必須采用兩種絕緣框架，其中用于IGBT的絕緣框架中還留有柵極探針的定位孔。柵極定位孔中放置有柵極觸點(diǎn)，上部與IGBT芯片的柵極焊盤接觸，下部與導(dǎo)入柵極的印制電路板接觸。在實(shí)際封裝過程中，子模組放置于有凸臺的功率電極上，與該電極一體的管殼頂部與另一功率電極邊緣采用壓焊的方式連接成一體，而器件內(nèi)部無任何焊點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，依靠器件外部施加的數(shù)十牛壓力實(shí)現(xiàn)芯片和上下功率電極的良好連接，提高了器件可靠性，降低了工藝復(fù)雜度。
[0037]本實(shí)用新型提供的壓接式IGBT器件子模組中的絕緣框架5兼容IGBT芯片和FWD芯片，具體實(shí)施如圖2所示。絕緣框架的橫切面為正方形，在絕緣框架5內(nèi)部正方形邊緣的一角，自上而下貫通了一個(gè)圓柱形的孔，為4-柵極定位孔I，該孔對于IGBT芯片子模組將放置柵極觸點(diǎn)，對于FWD芯片子模組將保持中空。該框架外部邊沿每一面均分布兩個(gè)突起的條形柱3，將每個(gè)面均分為四等分，該條形柱3可約束芯片在子模組內(nèi)，兩個(gè)條形柱3的分布使相鄰兩個(gè)子模組在組裝過程中可任意方向嚙合。對于該絕緣框架5，不需保留IGBT柵極觸點(diǎn)的空間，因此框架整體高度將極大減小，僅需組裝功率芯片及上下金屬墊片即可。子模組的組裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括絕緣框架5、兩個(gè)金屬墊片6和功率芯片；其中一個(gè)金屬墊片、功率芯片和另一個(gè)金屬墊片從上到下依次壓接到絕緣框架內(nèi)；功率芯片為IGBT或FWD芯片7。
[0038]對于IGBT芯片子模組，為定位柵極觸點(diǎn)，在上述絕緣框架5下方圍繞凸臺下部放置一個(gè)內(nèi)邊沿為正方形，且一角有一個(gè)圓柱形貫穿孔(8-柵極定位孔II)的柵極定位框架，柵極觸點(diǎn)下部組裝于該貫穿孔中，觸點(diǎn)上部伸入IGBT芯片絕緣框架中與柵極焊盤接觸，形成電連接。柵極定位框架具體實(shí)施如圖4所示。
[0039]在整個(gè)器件中，與IGBT子模組對應(yīng)的凸臺9全部位于陣列的外圍邊沿，且凸臺9柵極一角圓弧形空缺朝外，相鄰?fù)古_9柵極缺口一角兩兩相向。為放置柵極觸點(diǎn)定位框架，IGBT子模組凸臺9間凹槽比FWD子模組凸臺10之間凹槽深。
[0040]本實(shí)用新型功率電極對于并聯(lián)FWD子模組采用整體凸臺14，表面僅留有放入絕緣框架的淺槽，具體實(shí)施如圖5、圖6所示。在實(shí)際布局中，F(xiàn)WD芯片子模組集中于凸臺陣列中心區(qū)域排布，從而形成一個(gè)連通的整體凸臺14。由于上述FWD絕緣框架的高度減小，與FWD芯片子模組對應(yīng)的凸臺10凹槽深度僅需能放置絕緣框架即可。
[0041]本實(shí)用新型中IGBT柵極電流導(dǎo)入IGBT芯片有柵極印制電路板11和軟連線兩種方式。采用柵極印制電路板11方式的具體實(shí)施如圖5所示。印制電路板嵌在IGBT子模組對應(yīng)的凸臺凹槽之間，在印制電路板表面覆有一層金或銅金屬組成的導(dǎo)電層。在導(dǎo)電層上與每一個(gè)柵極觸點(diǎn)接觸點(diǎn)附近，均放置一個(gè)電阻，柵極電流經(jīng)此電阻后進(jìn)入柵極觸點(diǎn)。印制電路板金屬層與穿過陶瓷管殼的柵極引針12連接。此外，底座下表面邊緣焊接有一個(gè)輔助發(fā)射極引針13。
[0042]除上述印制電路板實(shí)現(xiàn)柵極接觸的方式外，還可以用軟連線實(shí)現(xiàn)柵極引針與柵極觸點(diǎn)的連接。對于每一個(gè)IGBT柵極觸點(diǎn)，分別采用一根軟連線與管殼上的柵極引針相連，所有的軟連線長度均一致，且全部圍繞凸臺陣列外圍管殼內(nèi)壁分布。在引入IGBT子模組前，在軟連線中接入一個(gè)電阻。
[0043]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實(shí)用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率壓接式IGBT器件，所述IGBT器件包括管殼以及設(shè)置在管殼兩端的兩個(gè)功率電極，其特征在于，其中一個(gè)功率電極分布凸臺陣列，在每個(gè)凸臺上設(shè)置子模組。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述子模組分為IGBT芯片子模組和FWD芯片子模組，均包括絕緣框架、至少兩個(gè)金屬墊片和功率芯片；其中一個(gè)金屬墊片、功率芯片和另外的金屬墊片從上到下依次安裝在絕緣框架內(nèi)； 所述功率芯片包含IGBT芯片以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管FWD芯片； 所述IGBT芯片和FWD芯片均為厚度100-1000微米的矩形硅片。
3.如權(quán)利要求2所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，當(dāng)為IGBT芯片子模組時(shí)對應(yīng)的功率芯片為IGBT芯片，當(dāng)為FWD芯片子模組時(shí)對應(yīng)的功率芯片為FWD芯片。
4.如權(quán)利要求2所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述絕緣框架橫切面為正方形，在絕緣框架內(nèi)部正方形邊緣一角自上而下貫穿一個(gè)圓柱形的孔，該孔對于IGBT芯片子模組將放置柵極觸點(diǎn)，對于FWD芯片子模組將保持中空； 所述絕緣框架外部正方體邊沿每一面均分布兩個(gè)突起的條形柱，將外部正方體每個(gè)面均分為四等分，該條形柱約束功率芯片在子模組內(nèi)，兩個(gè)條形柱的分布使相鄰兩個(gè)子模組在組裝過程中任意方向嚙合。
5.如權(quán)利要求4所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，在壓接IGBT芯子模組時(shí)，在所述絕緣框架下方圍繞凸臺下部放置柵極定位框架；所述柵極定位框架的橫切面為正方形且邊緣一角自上而下貫穿一個(gè)圓柱形的柵極定位孔，柵極觸點(diǎn)下部封裝于該孔中，柵極觸點(diǎn)上部伸入IGBT芯片絕緣框架中與IGBT芯片柵極焊盤接觸，形成電連接。
6.如權(quán)利要求5所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述柵極定位框架上的圓柱形的柵極定位孔與IGBT芯片絕緣框架上的圓柱形的孔相互吻合； 柵極定位孔中放置有柵極觸點(diǎn)，柵極觸點(diǎn)上部與IGBT芯片的柵極焊盤接觸，其下部與導(dǎo)入IGBT芯片的柵極印制電路板接觸。
7.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述凸臺包括IGBT芯片子模組凸臺和FWD芯片子模組凸臺，IGBT子模組凸臺全部位于凸臺陣列的外圍邊沿，且IGBT子模組凸臺柵極一角設(shè)有一圓弧形空缺，所述圓弧空缺朝外，相鄰IGBT子模組凸臺柵極缺口一角兩兩相向； 所述IGBT子模組凸臺之間凹槽比FWD子模組凸臺之間凹槽深。
8.如權(quán)利要求7所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述FWD芯片子模組凸臺采用整體凸臺，F(xiàn)WD芯片子模組凸臺集中于凸臺陣列中心區(qū)域排布，形成連通的整體凸臺；FWD芯片子模組凸臺間設(shè)有凹槽以定位絕緣框架。
9.如權(quán)利要求7所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，IGBT芯片柵極電流導(dǎo)入IGBT芯片通過印制電路板方式實(shí)現(xiàn)； 所述印制電路板嵌在子模組凸臺的凹槽之間，在印制電路板表面覆有一層金或銅金屬組成的導(dǎo)電層；在導(dǎo)電層上與每一個(gè)IGBT芯片柵極觸點(diǎn)接觸點(diǎn)附近，均放置一個(gè)電阻，柵極電流經(jīng)所述電阻后進(jìn)入柵極觸點(diǎn)；印制電路板導(dǎo)電層與穿過管殼的柵極引針連接。
10.如權(quán)利要求9所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件的底座下表面邊緣焊接有輔助發(fā)射極的電極引針；所述管殼為陶瓷材料的管殼。
11.如權(quán)利要求7所述的大功率壓接式IGBT器件，其特征在于，IGBT芯片柵極電流導(dǎo)入 IGBT芯片或通過軟連線方式實(shí)現(xiàn)；對于每個(gè)IGBT芯片柵極觸點(diǎn)，采用一根軟連線與穿過管殼的柵極引針相連，所有的軟連線長度均一致，且全部圍繞凸臺陣列外圍管殼內(nèi)壁分布；在引入IGBT芯片子模組前，在軟連線中接入電阻。
【文檔編號】H01L23/492GK203481226SQ201320632802
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】張朋, 包海龍, 張宇, 劉雋, 車家杰, 韓榮剛, 金銳, 于坤山 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)上海市電力公司