CN104966704A - 一种低热阻的压接式功率器件封装 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低热阻的压接式功率器件封装，包括上钼片、功率器件的芯片和弹簧探针，以及依次叠层布置的上端盖、液态金属导热片、PCB板、框架和下管壳；框架上设置有第一定位孔和第二定位孔；第一定位孔用于固定上钼片，第二定位孔用于固定弹簧探针；液态金属导热片敷设在上钼片的上表面；功率器件的芯片设置在上钼片和下管壳之间。与现有技术相比，本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，减少了纵向的叠层结构和横向热阻，使得温度分布均匀化，降低了功率器件封装的最高温度。

Description

一种低热阻的压接式功率器件封装

技术领域

本发明涉及电力半导体器件技术领域，具体涉及一种低热阻的压接式功率器件封装。

背景技术

压接式功率器件，如压接式IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域，其具有较高的可靠性，便于串联，并且在器件损坏时表现出短路失效模式，因此其也被广泛应用在智能电网等领域。

温度对功率器件性能的影响至关重要，高温不仅会影响器件的电学特性，更会严重影响其疲劳寿命。在功率器件运行过程中温度会影响芯片内部的热应力，这可能会导致芯片的损坏，已有多项研究证明电子器件的疲劳寿命随温度的升高呈指数下降，在功率器件设计过程中就必须同时考虑热设计，以方便热量迅速散出去，降低芯片的温度。

当前压接式IGBT的主要产品为ABB公司和WESTCODE公司的产品，具体为：

ABB公司的压接式IGBR的结构中芯片下侧面与基板烧结在一起，另一侧为压接结构，并最终通过叠簧结构与上端盖接触，但也正因为叠簧的存在，使得芯片上侧面的导热能力很差，热量基本上只能通过下侧面导出，不利于散热。

WESTCODE公司的压接式IGBT的结构中芯片上下侧两面均为压接结构，直至上下端盖，这种结构的优点是芯片可以实现双面散热，芯片上下两面有近乎相等的热量导出。但是从其截面图可以看出，零部件之间的接触面较多，因为不同介面之间接触是不完好的，缝隙中混入了空气，空气的导热率更低，这样会造成很大的接触热阻，并且其接触热阻在整体热阻中占20％-50％比重，所以该种结构整体热阻与ABB的热阻相差不大。

综上所述，降低接触热阻对降低整体热阻有至关重要的作用。针对接触热阻的存在会导致整体热阻的增大，若采样将各零件之间的缝隙用焊锡焊死以克服接触热阻对整体热阻的影响，但是焊锡的熔点在200-300℃，一方面具体结构限制了锡焊工艺的使用，再则锡焊工艺的使用必然导致整体生产成本的大幅提升，焊接温度达到200-300℃时功率器件的一些零部件选材就受到了限制，最后锡焊工艺还有一个缺点：经过一定数量的功率循环之后锡焊层会因为疲劳而失效，此时的接触热阻将会大大增加，甚至可能导致器件的失效，所以锡焊工艺有其相应的劣势和局限性。

另外，现有功率器件封装结构中芯片产生的热量主要通过与其相邻的零部件纵向传导到外界，而横向传导热量的能力很弱。功率器件中可能有多个芯片，不同的芯片因为功率不同和散热条件不同，在工作状态下最高温度也是不同的，即使只有一个大芯片，其上各点温度也不同，横向传导热量的能力很弱导致有些位置的温度很高，而有些位置的温度较低，两者可能相差二三十度，这实质上没有充分利用散热通道。

因此，需要提供一种具有低热阻，并且整体结构简单紧凑的压接式功率器件封装，从而满足智能电网对功率器件封装结构的应用需求。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种低热阻的压接式功率器件封装。

本发明的技术方案是：

所述功率器件封装包括上钼片、功率器件的芯片和弹簧探针，以及依次叠层布置的上端盖、液态金属导热片、PCB板、框架和下管壳；

所述框架上设置有第一定位孔和第二定位孔；所述第一定位孔用于固定上钼片；所述第二定位孔用于固定弹簧探针；

所述液态金属导热片敷设在上钼片的上表面；

所述功率器件的芯片设置在上钼片和下管壳之间。

优选的，所述弹簧探针与所述框架相互垂直，弹簧探针的一端与所述PCB板的导电层连接，另一端与所述芯片的栅极连接；

优选的，所述功率器件封装还包括与下管壳焊接连接的下钼片；所述功率器件的芯片与上钼片烧结，或者芯片与下钼片烧结，或者芯片的两侧分别与上钼片和下钼片烧结；

优选的，所述上端盖包括上电极和上裙边；所述下管壳包括下电极、下裙边、栅极引出端子和阴极引出端子；

所述上裙边和下裙边采用冷压焊相连，实现功率器件的封装；

所述栅极引出端子与所述弹簧探针的一端焊接，从而与所述芯片的栅极连接；

所述阴极引出端子与所述芯片的阴极连接；

优选的，所述上电极包括均热板，以及由所述均热板构成的空腔；

所述空腔中填充有导热流体介质，用于传导热量；

所述均热板由无氧铜制成；

优选的，所述上电极包括金属板、接口，以及由所述金属板构成的空腔；

所述空腔，用于在接口与外部冷却装置连接后流通冷却液体，冷却液体将热量带走，从而实现对热源的冷却；

所述接口，用于连接所述功率器件封装的外部冷却装置；

优选的，所述上电极为实心铜块；

优选的，PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置在绝缘层的内部，且导电层在弹簧探针和栅极引出端子对应的位置暴露于绝缘层外部；

优选的，所述PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置在绝缘层的外部，导电层与其边界具有距离，以防止导电层与上钼片之间接触或者击穿；

优选的，所述上钼片嵌入在框架后，其上表面高于所述PCB板的上表面。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，采用液态金属，降低了接触热阻和功率器件封装的整体热阻，并且液态金属可以补偿零件加工的不平整度对功率器件所受压力分布均匀性的影响；

2、本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，将下钼片与下管壳焊接在一起，相比于现有封装结构减少了纵向的叠层结构，有利于降低整体热阻和功率器件封装的高度；

3、本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，上端盖采用均热板，减小了横向热阻，使得温度分布均匀化，降低最高温度；

4、本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，上端盖内部设有空腔，在其边缘处留有接口与外部冷却装置连接，工作时上端盖内部充满冷却液，既有导电的作用又有散热器的作用，同时可以减小横向热阻，使得温度分布均匀化，降低最高温度，省去散热器，减少零部件的数量和整体高度。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的俯视图；

图2：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的A-A剖视图；

图3：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的A-A剖视展开图；

图4：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的前视图A；

图5：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的前视图B；

图6：本发明实施例中一种低热阻的压接式功率器件封装的前视图C；

图7：本发明实施例中PCB板的俯视图A；

图8：本发明实施例中PCB板的俯视图B；

图9：本发明实施例中框架的俯视图；

其中，1：上端盖；1-1：上电极；1-2：上裙边；2：液态金属导热片；3：PCB板；3-1：绝缘层；3-2：导电层；4：框架；5：上钼片；6：弹簧探针；7：功率器件的芯片；8：下管壳；8-1：下裙边；8-2：瓷环；8-3：下电极；8-4：阴极引出端子；8-5：栅极引出端子。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种低热阻的压接式功率器件封装，整体采用叠层结构，如图3所示，包括由上至下依次叠层布置的上端盖1、液态金属导热片2、PCB板3、框架4、上钼片5、弹簧探针6、功率器件的芯片7、下管壳8和下钼片，下钼片焊接在下管壳8上，具体结构和连接关系为：

1、框架

本实施例中框架4的俯视图如图9所示，其上设置有第一定位孔和第二定位孔：

第一定位孔，用于固定上钼片5；上钼片5嵌入在框架4上；功率器件的芯片7设置在上钼片5和下管壳8之间。

第二定位孔，用于固定弹簧探针6。弹簧探针6与框架4相互垂直，弹簧探针6的一端与PCB板3的导电层连接，另一端与芯片7的栅极连接。

本实施例中芯片7、上钼片5和下钼片的连接方式主要包括三种：

①：芯片与上钼片7烧结，不与下钼片烧结；

②：芯片与下钼片烧结，不与上钼片7烧结；

③：芯片的两侧分别与上钼片和下钼片烧结。

本实施例中，液态金属导热片2敷设在上钼片5的上表面；

上钼片5的上表面高于PCB板3的上表面，使得上钼片可以传递力，并降低高温对PCB板3的损害。本实施例中上钼片5的上表面高于PCB板3的上表面0.5mm。

2、上端盖和下管壳

上端盖1与框架4之间设置有PCB板3。本实施例中可以将多个芯片对应一张液态金属导热片2，也可以每个芯片对应一个液态金属导热片2。当功率组件的热源温度逐渐升高至液态金属导热片的熔点，如59℃，后导热片融化，与其两侧界面浸润，从而产生良好的热接触，进而降低接触热阻和接触电阻，并且功率器件整体传热路径更短，整体热阻较小。

如图4-6所示，上端盖包括上电极1-1和上裙边1-2。下管壳包括下电极8-3、下裙边8-1、栅极引出端子8-5、阴极引出端子8-4和瓷环8-2。本实施例中，

①：上裙边1-2和下裙边8-1采用冷压焊相连，实现功率器件的封装；

②：栅极引出端子8-5与弹簧探针6的一端焊接，从而与芯片7的栅极连接；

③：阴极引出端子8-4与芯片7的阴极连接。

本发明上电极1-1主要包括三种结构，具体为：

①：第一种结构

如图4所示，上电极1-1包括均热板，以及由均热板构成的空腔。其中，均热板由无氧铜制成。上电极1-1内部的空腔相互连接，空腔中填充有导热流体介质，用于传导热量。该上电极1-1既具有导电又具有横向传递热量的作用。

本实施例中均热板使得功率器件封装中上端盖的横向传热能力大大增加，可以充分利用散热通道，使得不同位置的温度分布更为均匀，有效降低温度最高值，保护功率器件。

②：第二种结构

如图5所示，上电极1-1包括金属板、接口，以及由金属板构成的空腔。其中，

空腔用于在接口与外部冷却装置连接后流通冷却液体，冷却液体将热量带走，从而实现对热源的冷却。

接口，设置在上电极1-1的边缘处，用于连接功率器件封装的外部冷却装置。该上电极1-1既具有导电又具有连接散热器散热的作用，使得功率器件工作时不需要在封装结构内添加散热器。

③：第三种结构

如图6所示，上电极1-1为实心铜块。该上电极1-1仅具有导电和导热的作用。

3、PCB板

本实施例中红PCB板主要包括两种结构，具体为：

①：第一种结构

如图7所示，PCB板包括导电层3-2和绝缘层3-1。其中，

导电层3-2设置在绝缘层3-1的内部，且导电层3-2仅在在弹簧探针6和栅极引出端子8-5对应的位置暴露于绝缘层3-1外部。

②：第二种结构

如图8所示，PCB板包括导电层3-2和绝缘层3-1。其中，

导电层3-2全部设置在绝缘层3-1的外部，同时需要保证导电层3-2与其边界具有一定的距离，以防止导电层3-2与上钼片5之间接触或者击穿。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种低热阻的压接式功率器件封装，其特征在于，所述功率器件封装包括上钼片、功率器件的芯片和弹簧探针，以及依次叠层布置的上端盖、液态金属导热片、PCB板、框架和下管壳；

所述框架上设置有第一定位孔和第二定位孔；所述第一定位孔用于固定上钼片；所述第二定位孔用于固定弹簧探针；

所述液态金属导热片敷设在上钼片的上表面；

所述功率器件的芯片设置在上钼片和下管壳之间。

2.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述弹簧探针与所述框架相互垂直，弹簧探针的一端与所述PCB板的导电层连接，另一端与所述芯片的栅极连接。

3.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述功率器件封装还包括与下管壳焊接连接的下钼片；所述功率器件的芯片与上钼片烧结，或者芯片与下钼片烧结，或者芯片的两侧分别与上钼片和下钼片烧结。

4.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述上端盖包括上电极和上裙边；所述下管壳包括下电极、下裙边、栅极引出端子和阴极引出端子；

所述上裙边和下裙边采用冷压焊相连，实现功率器件的封装；

所述栅极引出端子与所述弹簧探针的一端焊接，从而与所述芯片的栅极连接；

所述阴极引出端子与所述芯片的阴极连接。

5.如权利要求4所述的功率器件封装，其特征在于，所述上电极包括均热板，以及由所述均热板构成的空腔；

所述空腔中填充有导热流体介质，用于传导热量；

所述均热板由无氧铜制成。

6.如权利要求4所述的功率器件封装，其特征在于，所述上电极包括金属板、接口，以及由所述金属板构成的空腔；

所述空腔，用于在接口与外部冷却装置连接后流通冷却液体，冷却液体将热量带走，从而实现对热源的冷却；

所述接口，用于连接所述功率器件封装的外部冷却装置。

7.如权利要求4所述的功率器件封装，其特征在于，所述上电极为实心铜块。

8.如权利要求1、2或4所述的功率器件封装，其特征在于，PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置在绝缘层的内部，且导电层在弹簧探针和栅极引出端子对应的位置暴露于绝缘层外部。

9.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置在绝缘层的外部，导电层与其边界具有距离，以防止导电层与上钼片之间接触或者击穿。

10.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述上钼片嵌入在框架后，其上表面高于所述PCB板的上表面。