一種大功率壓接型igbt模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大功率壓接型IGBT模塊，模塊由子單元?dú)んw(1)和子單元?dú)どw組件(2)組成氣密性封裝殼體。至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片(1-1)與第一輔助件(1-6)、至少一個(gè)第二輔助件(1-2)、至少一個(gè)第三輔助件(1-3)形成的夾層結(jié)構(gòu)布置在子單元?dú)んw(1)與子單元?dú)どw組件(2)之間的氣密性殼體內(nèi)。不少于一個(gè)的上述子單元平行排布在模塊外殼(3)中形成大功率IGBT模塊。本發(fā)明涉及的IGBT模塊具有低熱阻，高可靠性及適于串聯(lián)使用的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種大功率壓接型IGBT模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大功率半導(dǎo)體器件，具體涉及一種大功率壓接型IGBT模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(Insulate-GateBipolar Transistor一IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power M0SFET)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛；IGBT也是三端器件:柵極，集電極和發(fā)射極。IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。
[0003]由于硅材料承受電壓的極限的限制，現(xiàn)有的IGBT器件的最高電壓為6500V，而高達(dá)幾十甚至上百kV電壓應(yīng)用的裝置中，IGBT的應(yīng)用多以串聯(lián)形式使用，每個(gè)閥段需要多達(dá)幾十只IGBT器件串聯(lián)，為保證安裝，運(yùn)輸過程中的安全性，常常需要施加高達(dá)10kN的緊固力，普通的模塊及傳統(tǒng)的壓接式器件很難滿足這樣的緊固力要求。
[0004]大功率IGBT的封裝通常有兩種形式，一種是底板絕緣模塊式封裝，由底板，覆銅陶瓷基板，絕緣外殼等組成，芯片背面通過焊料與陶瓷覆銅面焊接，正面通過鍵合線連接到陶瓷覆銅面，陶瓷覆銅面通過刻蝕形成連接正負(fù)電極的不同區(qū)域。作為非氣密性封裝，模塊內(nèi)部通過灌注硅凝膠或環(huán)氧樹脂等絕緣材料來隔離芯片與外界環(huán)境(水，氣，灰塵)的接觸，但灌注材料通常也隔絕了熱量的傳遞并在長(zhǎng)期工作過程中出現(xiàn)隔離效果退化的現(xiàn)象。
[0005]另外一種為類晶閘管，平板壓接式封裝，由陶瓷管殼及銅電極組成，芯片與電極通過壓力接觸。全壓接IGBT封裝由上下電極配合多層材料與硅片實(shí)現(xiàn)全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導(dǎo)致的器件失效。
[0006]在傳統(tǒng)的壓接式功率器件設(shè)計(jì)中，因?yàn)橐獫M足芯片的無焊接連接需求，芯片往往直接通過壓力接觸與電極連接，并考慮到熱膨脹系數(shù)(CTE)與硅片的匹配，選擇鑰作為輔助件安裝在芯片與電極之間。器件的緊固力受到芯片承受壓力極限的限制，不可能過大，否則會(huì)損壞芯片。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種大功率壓接型IGBT模塊，其中的半導(dǎo)體芯片在子單元?dú)んw內(nèi)得到氣密性加惰性氣體的保護(hù)，避免了芯片受到水汽、灰塵等外界條件沾污導(dǎo)致的失效，同時(shí)增加了芯片上下輔助件間的電弧的影響。
[0008]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明提供一種大功率壓接型IGBT模塊，所述模塊為垂直疊層式封裝結(jié)構(gòu)，其改進(jìn)之處在于:所述模塊包括子單元?dú)んw1、子單元?dú)どw組件2和模塊外殼3 ;由子單元?dú)んwI和子單元?dú)どw組件2通過冷壓焊封裝形成子單元，模塊外殼3內(nèi)沿軸向設(shè)有數(shù)量不少于I個(gè)的子單元；子單元在垂直方向與模塊外殼3活動(dòng)連接；所述子單元?dú)んwI內(nèi)填充惰性氣體，如氮?dú)?，并通過與子單元?dú)どw組件2間的壓力焊接實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。
[0010]進(jìn)一步地，所述子單元在垂直方向與模塊外殼3有相對(duì)位移，其距離為2_3mm。
[0011]進(jìn)一步地，所述子單元?dú)んwI包括半導(dǎo)體芯片1-1、第二輔助件1-2、第三輔助件
1-3、電極凸臺(tái)1-4、子單兀外殼1-5和第一輔助件1-6 ；
[0012]所述第一輔助件1-6、半導(dǎo)體芯片1-1、第二輔助件1-2和第三輔助件1-3從上到下依次疊放在框架1-8內(nèi)，所述框架1-8通過壓力接觸安裝于電極凸臺(tái)1-4上；所述電極凸臺(tái)1-4與子單元外殼1-5通過殼體法蘭1-7連接。
[0013]進(jìn)一步地，所述第一輔助件1-6和第三輔助件1-3采用與硅材料熱膨脹系數(shù)相近的金屬材質(zhì)；所述第一輔助件1-6和第三輔助件1-3的形狀均為方形薄片，厚度均為
1-2mm ；
[0014]所述第二輔助件1-2采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片；
[0015]所述子單元外殼1-5采用絕緣材料。
[0016]進(jìn)一步地，所述與硅材料熱膨脹系數(shù)相近的金屬材質(zhì)包括鎢、鑰或合金；所述具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片包括鋁或銀；所述絕緣材料包括陶瓷或環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0017]進(jìn)一步地，所述子單元?dú)どw組件2包括子單元蓋凸臺(tái)2-1、熱管散熱器2-2、彈簧組件2-3、頂板電極2-4、定位框架2-5和蓋法蘭2-6 ；
[0018]所述子單元凸臺(tái)2-1、彈簧組件2-3與頂板電極2-4通過定位框架2_5裝配成一體，在所述子單元凸臺(tái)2-1和彈簧組件2-3之間設(shè)置熱管散熱器2-2 ；
[0019]所述蓋法蘭2-6焊接在子單元凸臺(tái)2-1上，所述蓋法蘭2-6通過冷壓焊與殼體法蘭1-7形成氣密性子單元。
[0020]進(jìn)一步地，所述彈簧組件2-3 —端與頂板電極2-4鉚接，一端與子單元蓋凸臺(tái)2-1壓接，并通過定位框架2-5與子單元凸臺(tái)2-1定位；
[0021]所述熱管散熱器2-2蒸發(fā)端與子單元蓋凸臺(tái)2-1通過凸臺(tái)上的定位槽焊接定位。
[0022]進(jìn)一步地，所述模塊外殼3由外殼殼體3-1和外殼蓋3-2通過粘接組成；所述外殼殼體3-1和外殼蓋3-2端面均有可使頂板電極2-4和電極凸臺(tái)1-4在垂直方向移動(dòng)的孔。
[0023]進(jìn)一步地，不少于I個(gè)子單元通過外殼殼體3-1和外殼蓋3-2上的孔安裝入外殼殼體3-1 ；
[0024]所述電極凸臺(tái)1-4外端面與頂板電極2-4外端面，在非工作狀態(tài)分別伸出殼體端面0.5mm?3_ ;在工作狀態(tài)受壓力作用下，與殼體端面水平。
[0025]進(jìn)一步地，所述模塊的電流通路由子單元?dú)どw組件2到子單元?dú)んwI的垂直方向流動(dòng)；所述模塊安裝緊固力由模塊外殼3與子單元?dú)どw組件2共同承受，最大安裝緊固力為100kN。
[0026]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是:
[0027]1.本發(fā)明提供的大功率壓接型IGBT模塊為全壓接式接觸，消除了鍵合及焊接疲勞導(dǎo)致器件失效的因素。
[0028]2.本發(fā)明借助子單元?dú)どw組件2，實(shí)現(xiàn)芯片1-1的雙面散熱及芯片的壓力控制。
[0029]3.本發(fā)明借助子單元?dú)どw組件2及模塊外殼3的裝配方式，由二者共同承受外部緊固力，實(shí)現(xiàn)整體模塊大緊固力安裝的要求。
[0030]4.本發(fā)明提供的大功率壓接型IGBT模塊，其中芯片1-1為氣密性封裝，避免了外界的水汽，灰塵等污染，同時(shí)增加了芯片上下輔助件間的電弧的影響，提高了器件的長(zhǎng)期使用可靠性。
[0031]5.本發(fā)明提供的大功率壓接型IGBT模塊借助不同子單元在垂直方向的安裝位置，實(shí)現(xiàn)多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的壓接型IGBT模塊。
[0032]6.本發(fā)明涉及的IGBT模塊具有低熱阻，高可靠性及適于串聯(lián)使用的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明提供的大功率壓接型IGBT模塊的剖面結(jié)構(gòu)圖，其中:1_子單元?dú)んw；2_子單元?dú)どw組件；3_模塊外殼；
[0034]圖2是本發(fā)明提供模塊的子單元?dú)んw剖視圖，其中:1-1 一IGBT或FRD芯片；1_2—第二輔助件；1_3—第三輔助件；1_4一電極凸臺(tái)；1-5—子單元外殼；1-6—第一輔助件；
1-7—?dú)んw法蘭；1-8—框架；
[0035]圖3是本發(fā)明提供模塊的子單元?dú)どw組件剖視圖，其中:2-1—子單元蓋凸臺(tái)；
2-2—熱管散熱器；2-3—彈簧組件；2-4—頂板電極；2-5—定位框架；2_6—蓋法蘭；
[0036]圖4是本發(fā)明提供的模塊外殼外形示意圖；
[0037]圖5是本發(fā)明提供的模塊外殼首I]視圖，其中:3_1—夕卜殼殼體；3_2—夕卜殼蓋。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明提供一種大功率壓接型IGBT模塊，所述模塊為垂直疊層式封裝結(jié)構(gòu)，大功率壓接型IGBT模塊的剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括子單元?dú)んw1、子單元?dú)どw組件2和模塊外殼3 ;由子單元?dú)んwI和子單元?dú)どw組件2通過冷壓焊封裝形成子單元，不少于I個(gè)的子單元順序排布裝配于模塊外殼3內(nèi)，子單元在垂直方向與模塊外殼3發(fā)生相對(duì)位移，距離為
2-3mm
[0040]模塊的電流通路由子單元?dú)どw組件2到子單元?dú)んwI的垂直方向流動(dòng)；所述模塊安裝緊固力由模塊外殼3與子單元?dú)どw組件2共同承受，最大安裝緊固力為100kN。
[0041]所述子單元?dú)んwI包括半導(dǎo)體芯片1-1、第二輔助件1-2、第三輔助件1-3、電極凸臺(tái)1-4、子單元外殼1-5和第一輔助件1-6 ;至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片1-1與第一輔助件1-6、至少一個(gè)第二輔助件1-2、至少一個(gè)第三輔助件1-3形成的夾層結(jié)構(gòu)布置在子單元?dú)んwI與子單元?dú)どw組件2之間的氣密性殼體內(nèi)。子單元?dú)んw剖視圖如圖2所示。
[0042]所述第一輔助件1-6、半導(dǎo)體芯片1-1、第二輔助件1-2和第三輔助件1_3從上到下依次疊放在框架1-8內(nèi)，所述框架1-8通過壓力接觸安裝于電極凸臺(tái)1-4上；所述電極凸臺(tái)1-4與子單元外殼1-5通過殼體法蘭1-7連接。
[0043]所述第一輔助件1-6和第三輔助件1-3采用與硅材料熱膨脹系數(shù)相近的金屬材質(zhì)，包括鎢、鑰或其他合金；所述第一輔助件1-6和第三輔助件1-3的形狀均為方形薄片，厚度均為I_2mm ；
[0044]第二輔助件1-2采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片，包括鋁或銀；
[0045]子單元外殼1-5采用絕緣材料，如陶瓷或環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0046]所述子單元?dú)どw組件2包括子單元蓋凸臺(tái)2-1、熱管散熱器2-2、彈簧組件2_3、頂板電極2-4、定位框架2-5和蓋法蘭2-6 ;子單元?dú)どw組件剖視圖如圖3所示。
[0047]所述子單元凸臺(tái)2-1、彈簧組件2-3與頂板電極2-4通過定位框架2_5裝配成一體，在所述子單元凸臺(tái)2-1和彈簧組件2-3之間設(shè)置至少6根熱管散熱器2-2 ；
[0048]所述蓋法蘭2-6焊接在子單元凸臺(tái)2-1上，所述蓋法蘭2-6通過冷壓焊與殼體法蘭1-7形成氣密性子單元，即子單元?dú)んwI和子單元?dú)どw組件2通過殼體法蘭1-7與蓋法蘭2-6間的冷壓焊接實(shí)現(xiàn)子單元的氣密性封裝。
[0049]彈簧組件2-3 —端與頂板電極2-4鉚接，一端與子單元蓋凸臺(tái)2_1壓接，并通過定位框架2-5與子單元凸臺(tái)2-1定位；
[0050]所述熱管散熱器2-2蒸發(fā)端與子單元蓋凸臺(tái)2-1通過凸臺(tái)上的定位槽焊接定位。
[0051]模塊外殼3由外殼殼體3-1和外殼蓋3-2通過粘接組成；所述外殼殼體3_1和外殼蓋3-2端面均有可使頂板電極2-4和電極凸臺(tái)1-4在垂直方向移動(dòng)的孔。模塊外殼外形示意圖及其剖視圖分別如圖4和5所示。
[0052]不少于I個(gè)子單兀通過外殼殼體3-1和外殼蓋3-2上的孔安裝外殼殼體3_1 ；
[0053]所述電極凸臺(tái)1-4外端面與頂板電極2-4外端面，在非工作狀態(tài)分別伸出殼體端面0.5mm?3_ ;在工作狀態(tài)受壓力作用下，與殼體端面水平。
[0054]子單元?dú)んwI內(nèi)填充惰性氣體，如氮?dú)?，并通過與子單元?dú)どw組件2間的壓力焊接實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。
[0055]本發(fā)明的使半導(dǎo)體芯片工作在氣密加惰性氣體保護(hù)的空間中，同時(shí)由彈簧組件及模塊外殼共同承受來自使用者的大到10kN的緊固力。
[0056]本發(fā)明的子單元?dú)どw組件2在為半導(dǎo)體芯片提供彈性壓接力的同時(shí)，由熱管結(jié)構(gòu)將熱量從子單元蓋凸臺(tái)2-1傳導(dǎo)至頂板電極2-4，并最終傳導(dǎo)至散熱器，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片的雙面散熱。
[0057]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率壓接型IGBT模塊，所述模塊為垂直疊層式封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述模塊包括子單元?dú)んw(I)、子單元?dú)どw組件(2)和模塊外殼(3);由子單元?dú)んw(I)和子單元?dú)どw組件(2)通過冷壓焊封裝形成子單元，模塊外殼(3)內(nèi)沿軸向設(shè)有數(shù)量不少于I個(gè)的子單兀；子單兀在垂直方向與模塊外殼(3)活動(dòng)連接； 所述子單元?dú)んw(I)內(nèi)填充惰性氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述子單元在垂直方向與模塊外殼(3)發(fā)生相對(duì)位移，其距離為2-3mm。
3.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述子單元?dú)んw(I)包括半導(dǎo)體芯片(1-1)、第二輔助件(1-2)、第三輔助件(1-3)、電極凸臺(tái)(1-4)、子單元外殼(1-5)和第一輔助件(1-6)； 所述第一輔助件(1-6)、半導(dǎo)體芯片(1-1)、第二輔助件(1-2)和第三輔助件(1-3)從上到下依次疊放在框架(1-8)內(nèi)，所述框架(1-8)通過壓力接觸安裝于電極凸臺(tái)(1-4)上；所述電極凸臺(tái)(1-4)與子單元外殼(1-5)通過殼體法蘭(1-7)連接。
4.如權(quán)利要求3所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述第一輔助件(1-6)和第三輔助件(1-3)采用與硅材料熱膨脹系數(shù)相近的金屬材質(zhì)；所述第一輔助件(1-6)和第三輔助件(1-3)的形狀均為方形薄片，厚度均為l-2mm ; 所述第二輔助件(1-2)采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片； 所述子單元外殼(1-5)采用絕緣材料。
5.如權(quán)利要求4所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述與硅材料熱膨脹系數(shù)相近的金屬材質(zhì)包括鎢、鑰或合金；所述具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片包括鋁或銀；所述絕緣材料包括陶瓷或環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述子單元?dú)どw組件(2)包括子單元蓋凸臺(tái)(2-1)、熱管散熱器(2-2)、彈簧組件(2-3)、頂板電極(2-4)、定位框架(2-5)和蓋法蘭(2-6)； 所述子單元凸臺(tái)(2-1)、彈簧組件(2-3)與頂板電極(2-4)通過定位框架(2-5)裝配成一體，在所述子單元凸臺(tái)(2-1)和彈簧組件(2-3)之間設(shè)置熱管散熱器(2-2)； 所述蓋法蘭(2-6)焊接在子單元凸臺(tái)(2-1)上，所述蓋法蘭(2-6)通過冷壓焊與殼體法蘭(1-7)形成氣密性子單元。
7.如權(quán)利要求6所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述彈簧組件(2-3)—端與頂板電極(2-4)鉚接，一端與子單元蓋凸臺(tái)(2-1)壓接，并通過定位框架(2-5)與子單元凸臺(tái)(2-1)定位； 所述熱管散熱器(2-2)蒸發(fā)端與子單元蓋凸臺(tái)(2-1)通過凸臺(tái)上的定位槽焊接定位。
8.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述模塊外殼(3)由外殼殼體(3-1)和外殼蓋(3-2)通過粘接組成；所述外殼殼體(3-1)和外殼蓋(3-2)端面均有可使頂板電極(2-4)和電極凸臺(tái)(1-4)在垂直方向移動(dòng)的孔。
9.如權(quán)利要求8所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，不少于I個(gè)子單元通過外殼殼體(3-1)和外殼蓋(3-2)上的孔安裝入外殼殼體(3-1)； 所述電極凸臺(tái)(1-4)外端面與頂板電極(2-4)外端面，在非工作狀態(tài)分別伸出殼體端面0.5mm?3_ ;在工作狀態(tài)受壓力作用下，與殼體端面水平。
10.如權(quán)利要求1所述的大功率壓接型IGBT模塊，其特征在于，所述模塊的電流通路由子單元?dú)どw組件(2)到子單元?dú)んw(I)的垂直方向流動(dòng)；所述模塊安裝緊固力由模塊外殼(3)與子單元?dú)どw組件(2)共同承受，最大安裝緊固力為100kN。
【文檔編號(hào)】H01L23/367GK104362141SQ201410693404
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】韓榮剛, 張朋, 劉文廣, 李現(xiàn)兵 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)北京市電力公司