CN103579165B - 一种全压接式功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率半导体器件，具体涉及一种全压接式功率器件。全压接功率器件由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。与传统IGBT模块作为单一器件使用相比，芯片紧固力与器件紧固力由不同的器件分别提供，有效提高器件串联使用时的紧固力，不再受功率芯片压力承受极限的限制，满足多个器件串联使用的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件，具体涉及一种全压接式功率器件。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）自1986年开始正式生产并逐渐系列化以来，其封装质量及可靠性一直影响着其在工业控制，机车牵引，电力***等大功率应用领域的使用及推广。
IGBT作为电力电子***的一种关键电力半导体器件已经持续增长了若干年，这是因为它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，也实现了小型化的设计。这就意味着IGBT器件的应用领域已经扩展到很宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换***中，它已经取代了大功率双极晶体管（GTR），甚至出现替代门关断晶闸管（GTO）的现实趋势。
由于硅材料承受电压的极限的限制，现有的IGBT器件的最高电压为6500V，而高达几十甚至上百kV电压应用的装置中，IGBT的应用多以串联形式使用，每个阀段需要多达几十只IGBT器件串联，为保证安装，运输过程中的安全性，常常需要施加高达100kN的紧固力，普通的模块及传统的压接式器件很难满足这样的紧固力要求。
大功率IGBT的封装通常有两种形式，一种是底板绝缘模块式封装，由底板，覆铜陶瓷基板，绝缘外壳等组成，芯片背面通过焊料与陶瓷覆铜面焊接，正面通过键合线连接到陶瓷覆铜面，陶瓷覆铜面通过刻蚀形成连接正负电极的不同区域。作为非气密性封装，模块内部通过灌注硅凝胶或环氧树脂等绝缘材料来隔离芯片与外界环境（水，气，灰尘）的接触，缩短器件的使用寿命。
另外一种为类晶闸管，平板压接式封装，由陶瓷管壳及铜电极组成，芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT封装由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。
在传统的压接式功率器件设计中，因为要满足芯片的无焊接连接需求，芯片往往直接通过压力接触与电极连接，并考虑到热膨胀系数（CTE）与硅片的匹配，选择钼作为辅助件安装在芯片与电极之间。器件的紧固力受到芯片承受压力极限的限制，不可能过大，否则会损坏芯片。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全压接式功率器件，该功率器件为类晶闸管，采用平板压接式封装，功率芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT器件由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。与传统IGBT模块作为单一器件使用相比，芯片紧固力与器件紧固力由不同的器件分别提供，有效提高器件串联使用时的紧固力，不再受功率芯片压力承受极限的限制，满足多个器件串联使用的要求。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种全压接式功率器件，所述功率器件为平板压接式封装结构，其改进之处在于：所述功率器件包括从上到下依次设置的第一接触电极7、第一辅助件2、芯片1、第二辅助件3和第二接触电极8；与所述芯片1轴向垂直的方向上对称设有框架6；所述第一接触电极7和第二接触电极8通过壳体9互相连接，在第一辅助件2一侧依次设有导电触片4及弹簧件5；
外界施加于所述功率器件的紧固力通过第一接触电极7、框架6和第二接触电极8来承受，所述芯片1的紧固力通过安装在第一接触电极7内的弹簧件5来提供。
进一步地，所述弹簧件5安装在第一接触电极7内，且与导电触片4垂直设置。
进一步地，所述弹簧件5通过非焊接或烧结方式安装在导电触片4上。
进一步地，所述弹簧件5为蝶形弹簧或能够提供不小于1kN紧固力的弹簧组件。
进一步地，所述导电触片4采用具有高延展性及高电导率的金属片，包括铜、银和钼；
所述导电触片4与第一辅助件2之间机械连接，且连接位置成凹陷状，所述凹陷状的面积由框架6和芯片1的尺寸决定；
所述导电触片4与框架6之间通过机械连接。
进一步地，其中第一辅助件2和第二辅助件3采用与硅片热膨胀系数匹配的金属材质，包括钨和钼；所述第一辅助件2和第二辅助件3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm。
进一步地，所述框架6与芯片1之间为机械装配；所述框架6采用纤维复合材料制成，能承受不小于100kN的压力，用于保持框架6的稳定性。
进一步地，所述芯片1为半导体材料片，包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT或至少一个续流二极管FWD。
进一步地，在所述第一接触电极7和第二接触电极8的轴向垂直的方向上对称设有壳体9并通过壳体9互相连接；
所述壳体9、第一接触电极7和第二接触电极8组成气密性组件。
进一步地，所述芯片1、第一辅助件2、第二辅助件3、导电触片4、弹簧件5和框架6均被封装在气密性组件内。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1.本发明提供功率器件承受的大紧固力在内部由框架6承受，不再受功率芯片1压力承受极限的限制，满足较大紧固力的要求。
2.本发明提供的功率器件为全压接式接触，消除了焊接疲劳导致器件失效的因素。
3.本发明借助导电触片4，可实现功率芯片1双面散热，较传统的单面散热器件具有更宽工作温度范围。
4.弹簧件5提供芯片的紧固力，降低了功率器件在安装时因为外部紧固操作导致的芯片损坏。
5.本发明提供的功率器件为气密性封装，避免了外界的水汽，灰尘等污染，提高了器件的长期使用可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的全压接式功率器件剖面结构图；其中：A-功率芯片位置；7-第一接触电极（当芯片为IGBT芯片时，为集电极；当芯片为FWD时，为阴极）；8-第二接触电极（当芯片为IGBT芯片时，为发射极；当芯片为FWD时，为阳极）；
图2是本发明提供的功率芯片位置A放大示意图；其中：1-功率芯片；2-第一辅助件；3-第二辅助件；4-导电触片；5-弹簧件；6-框架；
图3是本发明提供功率器件在紧固时受力的位置示意图；
图4是本发明提供的导电触片示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供的全压接式功率器件是多层材料组合的垂直结构，如图1所示。全压接式IGBT封装单芯片结构见图2，功率器件包括从上到下依次设置的第一接触电极7、第一辅助件2、芯片1、第二辅助件3和第二接触电极8；与所述芯片1轴向垂直的方向上对称设有框架6；所述第一接触电极7和第二接触电极8通过壳体9互相连接，在第一辅助件2一侧依次设有导电触片4及弹簧件5；外界施加于所述功率器件的紧固力通过第一接触电极7、框架6和第二接触电极8来承受，所述芯片1的紧固力通过安装在第一接触电极7内的弹簧件5来提供。本发明提供功率器件在紧固时受力的位置示意图如图3所示。
所述弹簧件5安装在第一接触电极7内，且与导电触片4垂直设置。
所述弹簧件5通过非焊接或烧结方式安装在导电触片4上。
所述弹簧件5为蝶形弹簧或能够提供不小于1kN紧固力的弹簧组件。
所述导电触片4采用具有高延展性及高电导率的金属片，通常为铜，银，或钼；所述导电触片4与第一辅助件2之间机械连接，且连接位置成凹陷状，如图4所示，所述凹陷状的面积由框架6和芯片1的尺寸决定；所述导电触片4与框架6之间通过机械连接。
其中第一辅助件2和第二辅助件3采用与硅片热膨胀系数匹配的金属材质，包括钨和钼；所述第一辅助件2和第二辅助件3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm。
所述框架6与芯片1之间为机械装配；所述框架6采用纤维复合材料制成，能承受不小于100kN的压力，用于保持框架6的稳定性。
所述芯片1为半导体材料片，包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT或至少一个续流二极管FWD。
在所述第一接触电极7和第二接触电极8的轴向垂直的方向上对称设有壳体9并通过壳体9互相连接；所述壳体9、第一接触电极7和第二接触电极8组成气密性组件。
所述芯片1、第一辅助件2、第二辅助件3、导电触片4、弹簧件5和框架6均被封装在气密性组件内。
第一接触电极7、导电触片4、第一辅助件2、功率芯片1、第二辅助件3以及第二接触电极8依次构成电流通路。
功率芯片1、第一辅助件2、导电触片4和第一接触电极7构成一路散热通路；以及功率芯片1、第二辅助件3和第二接触电极8构成另一路散热通路。
本发明提供的全压接式功率器件与传统IGBT模块使用绑定线作为电极引出方式相比，双面压力接触可实现双面散热，有效提高器件的工作温度，满足器件的大紧固力需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种全压接式功率器件，所述功率器件为平板压接式封装结构，其特征在于：所述功率器件包括从上到下依次设置的第一接触电极(7)、第一辅助件(2)、芯片(1)、第二辅助件(3)和第二接触电极(8)；与所述芯片(1)轴向垂直的方向上对称设有框架(6)；所述第一接触电极(7)和第二接触电极(8)通过壳体(9)互相连接，在第一辅助件(2)一侧依次设有导电触片(4)及弹簧件(5)；
外界施加于所述功率器件的紧固力通过第一接触电极(7)、框架(6)和第二接触电极(8)来承受，所述芯片(1)的紧固力通过安装在第一接触电极(7)内的弹簧件(5)来提供。
2.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述弹簧件(5)与导电触片(4)垂直设置。
3.如权利要求2所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述弹簧件(5)通过非焊接方式安装在导电触片(4)上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述弹簧件(5)为蝶形弹簧或能够提供不小于1kN紧固力的弹簧组件。
5.如权利要求2所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述导电触片(4)采用具有高延展性及高电导率的金属片，包括铜、银和钼；
所述导电触片(4)与第一辅助件(2)之间机械连接，且连接位置成凹陷状，所述凹陷状的面积由框架(6)和芯片(1)的尺寸决定；
所述导电触片(4)与框架(6)之间为机械连接。
6.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，其中第一辅助件(2)和第二辅助件(3)采用与硅片热膨胀系数匹配的金属材质，包括钨和钼；所述第一辅助件(2)和第二辅助件(3)的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm。
7.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述框架(6)与芯片(1)之间为机械装配；所述框架(6)采用纤维复合材料制成，能承受不小于100kN的压力，用于保持框架(6)的稳定性。
8.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述芯片(1)为半导体材料片，包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT或至少一个续流二极管FWD。
9.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，在所述第一接触电极(7)和第二接触电极(8)的轴向垂直的方向上对称设有壳体(9)并通过壳体(9)互相连接；
所述壳体(9)、第一接触电极(7)和第二接触电极(8)组成气密性组件。
10.如权利要求1所述的全压接式功率器件，其特征在于，所述芯片(1)、第一辅助件(2)、第二辅助件(3)、导电触片(4)、弹簧件(5)和框架(6)均被封装在气密性组件内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |