CN104362141A - 一种大功率压接型igbt模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率压接型IGBT模块，模块由子单元壳体(1)和子单元壳盖组件(2)组成气密性封装壳体。至少一个半导体芯片(1-1)与第一辅助件(1-6)、至少一个第二辅助件(1-2)、至少一个第三辅助件(1-3)形成的夹层结构布置在子单元壳体(1)与子单元壳盖组件(2)之间的气密性壳体内。不少于一个的上述子单元平行排布在模块外壳(3)中形成大功率IGBT模块。本发明涉及的IGBT模块具有低热阻，高可靠性及适于串联使用的优点。

Description

一种大功率压接型IGBT模块
技术领域
本发明涉及一种大功率半导体器件，具体涉及一种大功率压接型IGBT模块。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(GiantTransistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
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，但灌注材料通常也隔绝了热量的传递并在长期工作过程中出现隔离效果退化的现象。
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大功率压接型IGBT模块，其中的半导体芯片在子单元壳体内得到气密性加惰性气体的保护，避免了芯片受到水汽、灰尘等外界条件沾污导致的失效，同时增加了芯片上下辅助件间的电弧的影响。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，其改进之处在于：所述模块包括子单元壳体1、子单元壳盖组件2和模块外壳3；由子单元壳体1和子单元壳盖组件2通过冷压焊封装形成子单元，模块外壳3内沿轴向设有数量不少于1个的子单元；子单元在垂直方向与模块外壳3活动连接；所述子单元壳体1内填充惰性气体，如氮气，并通过与子单元壳盖组件2间的压力焊接实现气密性封装。
进一步地，所述子单元在垂直方向与模块外壳3有相对位移，其距离为2-3mm。
进一步地，所述子单元壳体1包括半导体芯片1-1、第二辅助件1-2、第三辅助件1-3、电极凸台1-4、子单元外壳1-5和第一辅助件1-6；
所述第一辅助件1-6、半导体芯片1-1、第二辅助件1-2和第三辅助件1-3从上到下依次叠放在框架1-8内，所述框架1-8通过压力接触安装于电极凸台1-4上；所述电极凸台1-4与子单元外壳1-5通过壳体法兰1-7连接。
进一步地，所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3采用与硅材料热膨胀系数相近的金属材质；所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm；
所述第二辅助件1-2采用具有高延展性及高电导率的金属片；
所述子单元外壳1-5采用绝缘材料。
进一步地，所述与硅材料热膨胀系数相近的金属材质包括钨、钼或合金；所述具有高延展性及高电导率的金属片包括铝或银；所述绝缘材料包括陶瓷或环氧树脂复合材料。
进一步地，所述子单元壳盖组件2包括子单元盖凸台2-1、热管散热器2-2、弹簧组件2-3、顶板电极2-4、定位框架2-5和盖法兰2-6；
所述子单元凸台2-1、弹簧组件2-3与顶板电极2-4通过定位框架2-5装配成一体，在所述子单元凸台2-1和弹簧组件2-3之间设置热管散热器2-2；
所述盖法兰2-6焊接在子单元凸台2-1上，所述盖法兰2-6通过冷压焊与壳体法兰1-7形成气密性子单元。
进一步地，所述弹簧组件2-3一端与顶板电极2-4铆接，一端与子单元盖凸台2-1压接，并通过定位框架2-5与子单元凸台2-1定位；
所述热管散热器2-2蒸发端与子单元盖凸台2-1通过凸台上的定位槽焊接定位。
进一步地，所述模块外壳3由外壳壳体3-1和外壳盖3-2通过粘接组成；所述外壳壳体3-1和外壳盖3-2端面均有可使顶板电极2-4和电极凸台1-4在垂直方向移动的孔。
进一步地，不少于1个子单元通过外壳壳体3-1和外壳盖3-2上的孔安装入外壳壳体3-1；
所述电极凸台1-4外端面与顶板电极2-4外端面，在非工作状态分别伸出壳体端面0.5mm～3mm；在工作状态受压力作用下，与壳体端面水平。
进一步地，所述模块的电流通路由子单元壳盖组件2到子单元壳体1的垂直方向流动；所述模块安装紧固力由模块外壳3与子单元壳盖组件2共同承受，最大安装紧固力为100kN。
与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：
1.本发明提供的大功率压接型IGBT模块为全压接式接触，消除了键合及焊接疲劳导致器件失效的因素。
2.本发明借助子单元壳盖组件2，实现芯片1-1的双面散热及芯片的压力控制。
3.本发明借助子单元壳盖组件2及模块外壳3的装配方式，由二者共同承受外部紧固力，实现整体模块大紧固力安装的要求。
4.本发明提供的大功率压接型IGBT模块，其中芯片1-1为气密性封装，避免了外界的水汽，灰尘等污染，同时增加了芯片上下辅助件间的电弧的影响，提高了器件的长期使用可靠性。
5.本发明提供的大功率压接型IGBT模块借助不同子单元在垂直方向的安装位置，实现多种电路拓扑结构的压接型IGBT模块。
6.本发明涉及的IGBT模块具有低热阻，高可靠性及适于串联使用的优点。
附图说明
图1是本发明提供的大功率压接型IGBT模块的剖面结构图，其中：1-子单元壳体；2-子单元壳盖组件；3-模块外壳；
图2是本发明提供模块的子单元壳体剖视图，其中：1-1—IGBT或FRD芯片；1-2—第二辅助件；1-3—第三辅助件；1-4—电极凸台；1-5—子单元外壳；1-6—第一辅助件；1-7—壳体法兰；1-8—框架；
图3是本发明提供模块的子单元壳盖组件剖视图，其中：2-1—子单元盖凸台；2-2—热管散热器；2-3—弹簧组件；2-4—顶板电极；2-5—定位框架；2-6—盖法兰；
图4是本发明提供的模块外壳外形示意图；
图5是本发明提供的模块外壳剖视图，其中：3-1—外壳壳体；3-2—外壳盖。
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。
本发明提供一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，大功率压接型IGBT模块的剖面结构图如图1所示，包括子单元壳体1、子单元壳盖组件2和模块外壳3；由子单元壳体1和子单元壳盖组件2通过冷压焊封装形成子单元，不少于1个的子单元顺序排布装配于模块外壳3内，子单元在垂直方向与模块外壳3发生相对位移，距离为2-3mm
模块的电流通路由子单元壳盖组件2到子单元壳体1的垂直方向流动；所述模块安装紧固力由模块外壳3与子单元壳盖组件2共同承受，最大安装紧固力为100kN。
所述子单元壳体1包括半导体芯片1-1、第二辅助件1-2、第三辅助件1-3、电极凸台1-4、子单元外壳1-5和第一辅助件1-6；至少一个半导体芯片1-1与第一辅助件1-6、至少一个第二辅助件1-2、至少一个第三辅助件1-3形成的夹层结构布置在子单元壳体1与子单元壳盖组件2之间的气密性壳体内。子单元壳体剖视图如图2所示。
所述第一辅助件1-6、半导体芯片1-1、第二辅助件1-2和第三辅助件1-3从上到下依次叠放在框架1-8内，所述框架1-8通过压力接触安装于电极凸台1-4上；所述电极凸台1-4与子单元外壳1-5通过壳体法兰1-7连接。
所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3采用与硅材料热膨胀系数相近的金属材质，包括钨、钼或其他合金；所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm；
第二辅助件1-2采用具有高延展性及高电导率的金属片，包括铝或银；
子单元外壳1-5采用绝缘材料，如陶瓷或环氧树脂复合材料。
所述子单元壳盖组件2包括子单元盖凸台2-1、热管散热器2-2、弹簧组件2-3、顶板电极2-4、定位框架2-5和盖法兰2-6；子单元壳盖组件剖视图如图3所示。
所述子单元凸台2-1、弹簧组件2-3与顶板电极2-4通过定位框架2-5装配成一体，在所述子单元凸台2-1和弹簧组件2-3之间设置至少6根热管散热器2-2；
所述盖法兰2-6焊接在子单元凸台2-1上，所述盖法兰2-6通过冷压焊与壳体法兰1-7形成气密性子单元，即子单元壳体1和子单元壳盖组件2通过壳体法兰1-7与盖法兰2-6间的冷压焊接实现子单元的气密性封装。
弹簧组件2-3一端与顶板电极2-4铆接，一端与子单元盖凸台2-1压接，并通过定位框架2-5与子单元凸台2-1定位；
所述热管散热器2-2蒸发端与子单元盖凸台2-1通过凸台上的定位槽焊接定位。
模块外壳3由外壳壳体3-1和外壳盖3-2通过粘接组成；所述外壳壳体3-1和外壳盖3-2端面均有可使顶板电极2-4和电极凸台1-4在垂直方向移动的孔。模块外壳外形示意图及其剖视图分别如图4和5所示。
不少于1个子单元通过外壳壳体3-1和外壳盖3-2上的孔安装外壳壳体3-1；
所述电极凸台1-4外端面与顶板电极2-4外端面，在非工作状态分别伸出壳体端面0.5mm～3mm；在工作状态受压力作用下，与壳体端面水平。
子单元壳体1内填充惰性气体，如氮气，并通过与子单元壳盖组件2间的压力焊接实现气密性封装。
本发明的使半导体芯片工作在气密加惰性气体保护的空间中，同时由弹簧组件及模块外壳共同承受来自使用者的大到100kN的紧固力。
本发明的子单元壳盖组件2在为半导体芯片提供弹性压接力的同时，由热管结构将热量从子单元盖凸台2-1传导至顶板电极2-4，并最终传导至散热器，实现半导体芯片的双面散热。
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，其特征在于：所述模块包括子单元壳体(1)、子单元壳盖组件(2)和模块外壳(3)；由子单元壳体(1)和子单元壳盖组件(2)通过冷压焊封装形成子单元，模块外壳(3)内沿轴向设有数量不少于1个的子单元；子单元在垂直方向与模块外壳(3)活动连接；
所述子单元壳体(1)内填充惰性气体。
2.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述子单元在垂直方向与模块外壳(3)发生相对位移，其距离为2-3mm。
3.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述子单元壳体(1)包括半导体芯片(1-1)、第二辅助件(1-2)、第三辅助件(1-3)、电极凸台(1-4)、子单元外壳(1-5)和第一辅助件(1-6)；
所述第一辅助件(1-6)、半导体芯片(1-1)、第二辅助件(1-2)和第三辅助件(1-3)从上到下依次叠放在框架(1-8)内，所述框架(1-8)通过压力接触安装于电极凸台(1-4)上；所述电极凸台(1-4)与子单元外壳(1-5)通过壳体法兰(1-7)连接。
4.如权利要求3所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述第一辅助件(1-6)和第三辅助件(1-3)采用与硅材料热膨胀系数相近的金属材质；所述第一辅助件(1-6)和第三辅助件(1-3)的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm；
所述第二辅助件(1-2)采用具有高延展性及高电导率的金属片；
所述子单元外壳(1-5)采用绝缘材料。
5.如权利要求4所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述与硅材料热膨胀系数相近的金属材质包括钨、钼或合金；所述具有高延展性及高电导率的金属片包括铝或银；所述绝缘材料包括陶瓷或环氧树脂复合材料。
6.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述子单元壳盖组件(2)包括子单元盖凸台(2-1)、热管散热器(2-2)、弹簧组件(2-3)、顶板电极(2-4)、定位框架(2-5)和盖法兰(2-6)；
所述子单元凸台(2-1)、弹簧组件(2-3)与顶板电极(2-4)通过定位框架(2-5)装配成一体，在所述子单元凸台(2-1)和弹簧组件(2-3)之间设置热管散热器(2-2)；
所述盖法兰(2-6)焊接在子单元凸台(2-1)上，所述盖法兰(2-6)通过冷压焊与壳体法兰(1-7)形成气密性子单元。
7.如权利要求6所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述弹簧组件(2-3)一端与顶板电极(2-4)铆接，一端与子单元盖凸台(2-1)压接，并通过定位框架(2-5)与子单元凸台(2-1)定位；
所述热管散热器(2-2)蒸发端与子单元盖凸台(2-1)通过凸台上的定位槽焊接定位。
8.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述模块外壳(3)由外壳壳体(3-1)和外壳盖(3-2)通过粘接组成；所述外壳壳体(3-1)和外壳盖(3-2)端面均有可使顶板电极(2-4)和电极凸台(1-4)在垂直方向移动的孔。
9.如权利要求8所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，不少于1个子单元通过外壳壳体(3-1)和外壳盖(3-2)上的孔安装入外壳壳体(3-1)；
所述电极凸台(1-4)外端面与顶板电极(2-4)外端面，在非工作状态分别伸出壳体端面0.5mm～3mm；在工作状态受压力作用下，与壳体端面水平。
10.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述模块的电流通路由子单元壳盖组件(2)到子单元壳体(1)的垂直方向流动；所述模块安装紧固力由模块外壳(3)与子单元壳盖组件(2)共同承受，最大安装紧固力为100kN。
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