CN107768328A - 一种实现双面散热和压力均衡的功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，该功率器件通过设置具有多个凹池结构的导电触片，将功率器件分为两部分，实现双面散热；通过设置弹簧件与凹池结构的凹陷处机械连接，凹池结构的凸陷处从上至下依次与上钼片、芯片、下钼片、银垫片、凸台以及导电基板连接，实现了将各个弹簧件、芯片相互独立，且当其中一个芯片由于结构或热膨胀等差异所受热应力变大时，其对应弹簧件可通过产生向上的位移减少芯片的受力，其他芯片和弹簧不受影响，改善了芯片受力的平衡度。因此，本发明提供的功率器件，能够解决传统功率器件封装结构由于散热性能不好、内部芯片承受压力不均匀而导致功率器件封装结构可靠性低的问题。

Description

一种实现双面散热和压力均衡的功率器件
技术领域
本发明涉及功率器件封装领域，特别是涉及一种实现双面散热和压力均衡的功率器件。
背景技术
现代电力电子器件具有大功率、驱动简单和开关频率高的优势，输出功率较大的电子元器件称为功率器件，包括：大功率晶体管、晶闸管、双向晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等。例如功率器件绝缘栅极双极晶体管为栅极电压型驱动器件，具有工作频率高、功率密度大、可靠性高、易于串联等优点，在交通牵引领域、工业变频器以及柔性直流输电领域等高压大功率场合得到了广泛的应用。
现有技术中，功率器件普遍采用模块结构，以功率器件IGBT为例，一个IGBT功率器件包含若干IGBT芯片。最初IGBT的封装形式为焊接式，即：将IGBT芯片通过焊接方式与一块导热不导电的基板连接，其余引出线利用键合线与外接口相连。这种焊接结构只能在基板侧实现单面散热，导致IGBT芯片与散热器之间的热阻较高，散热效果不好，从而引起结温升高，影响功率器件IGBT的正常工作，并且焊接式封装结构采用了键合工艺，其内部连线过多，影响功率器件IGBT的可靠性。针对上述单面散热的情况，从业者提出一种全压接式封装结构，即：将钼片和功率芯片等结构依次定位放置，然后压接而成。压接式封装结构理论上能够实现双面散热，并且消除了键合线过多的影响。但是采用这种结构后，每一个功率芯片所受的压力会随温度和电流的变化而变化，芯片的位置、厚度差异，封装结构加工的不平整度，以及工作时结构内部各元件的热胀冷缩特性带来的差异会使得各芯片所受压力值不均衡。功率芯片所受压力过大会使芯片产生机械损坏，压力过小则会使功率芯片的结温上升，功率器件的可靠性大大降低。因此，如何提高功率器件的可靠性，是功率器件领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，能够解决传统功率器件封装结构由于散热性能不好、功率器件内部芯片承受压力不均匀而导致功率器件封装结构可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，所述功率器件为压接式封装结构，所述功率器件包括导电盖板、弹簧件、导电触片、上钼片、芯片、下钼片、银垫片、凸台以及导电基板；
所述导电触片包括圆环面、底面以及过渡件；所述底面和所述圆环面通过所述过渡件连接；所述圆环面位于所述底面之上；所述导电触片的底面为矩形；所述底面上设有多个凹池结构，且相邻的所述凹池结构通过梯形连接件连接；
所述弹簧件的一端与所述凹池结构的凹陷处机械连接，所述弹簧件的另一端与所述导电盖板连接；
所述凹池结构的凸陷处从上至下依次与所述上钼片、所述芯片、所述下钼片、所述银垫片、所述凸台以及所述导电基板连接。
可选的，所述功率器件还包括散热管；所述散热管设置在所述梯形连接件上；所述散热管用于降低所述功率器件内部的温度。
可选的，所述功率器件还包括垫块；所述垫块为实心的长方形结构；所述垫块位于所述导电盖板和所述导电触片的圆环面之间，且与所述圆环面连接；所述垫块用于在所述导电盖板表面施加压力时，使所述导电触片的圆环面和所述导电盖板间存在间隙；所述间隙为所述散热管提供入口和出口。
可选的，所述功率器件还包括壳体；所述导电盖板和所述导电基板通过所述壳体相互连接。
可选的，所述导电触片的圆环面穿过所述壳体。
可选的，所述弹簧件包括从上到下依次设置的上圆环柱、内圆环柱以及下圆环柱；所述内圆环柱周围环绕着多个形状为圆锥碟状的碟簧，且相邻所述碟簧的方向相反；在所述内圆环柱轴向垂直方向上对称设有导电片；所述导电片一端连接所述上圆环柱，所述导电片的另一端连接所述下圆环柱。
可选的，所述导电基板和所述导电盖板均为实心的圆柱形结构；所述导电盖板的下表面设置与所述弹簧件数量相同的凹槽，且所述凹槽与所述弹簧件的所述另一端机械连接；所述导电基板、所述凸台、所述导电触片的中心均与所述导电盖板的中心同轴。
可选的，所述凸台放置于所述导电基板上；所述凸台的上部分为多个实心的正方形结构，且相邻所述实心的正方形结构的间隙相同；所述实心的正方形结构的个数与所述凹池结构的数量相同；所述凸台的下部分为实心的圆柱形结构，且与所述导电基板同轴心。
可选的，所述弹簧件的中心、所述凹池结构的中心、所述上钼片的中心、所述芯片的中心、所述下钼片的中心、所述银垫片的中心均与所述实心的正方形结构的中心同轴。
可选的，所述上钼片、所述芯片、所述下钼片以及所述银垫片均为参数不相同的长方形薄层结构；所述银垫片的厚度小于所述芯片的厚度；所述银垫片用于当所述银垫片形变时，缓解所述芯片受到的热应力；所述上钼片和所述下钼片用于保护所述芯片；所述上钼片和所述下钼片的厚度均大于所述芯片的厚度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，所述功率器件包括导电盖板、弹簧件、导电触片、上钼片、芯片、下钼片、银垫片、凸台以及导电基板；所述导电触片包括圆环面、底面以及过渡件；所述底面和所述圆环面通过所述过渡件连接；所述圆环面位于所述底面之上；所述导电触片的底面为矩形；所述底面上设有多个凹池结构，且相邻的所述凹池结构通过梯形连接件连接；所述弹簧件的一端与所述凹池结构的凹陷处机械连接，所述弹簧件的另一端与所述导电盖板连接；所述凹池结构的凸陷处从上至下依次与所述上钼片、所述芯片、所述下钼片、所述银垫片、所述凸台以及所述导电基板连接。因此，本发明提供的功率器件，通过设置导电触片将功率器件分为两部分，将导热性能很差的弹簧分隔在导电触片上方，相比传统封装功率器件，导电触片下方一侧可以实现功率器件的正常工作；导电触片上方一侧实现功率器件的散热功能，避免了通过弹簧件的散热通道，能够很好地实现双面散热；同时采用上述结构的导电触片，将各个弹簧件、芯片相互独立，当其中一个芯片由于结构或热膨胀等差异所受热应力变大时，其对应弹簧件可通过产生向上的位移减少芯片的受力，而其他芯片和弹簧不受影响，减少了该芯片与其余芯片受力的压力差，改善了芯片受力的平衡度。综上，本发明提供的功率器件，能够解决传统功率器件封装结构由于散热性能不好、功率器件内部芯片承受压力不均匀而导致功率器件封装结构可靠性低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例功率器件的结构正视图；
图2为本发明实施例功率器件的结构俯视图；
图3为本发明实施例功率器件的导电触片的立体结构图；
图4为本发明实施例功率器件的导电触片与散热管的俯视图；
图5为本发明实施例功率器件的弹簧件的立体结构图；
图6为本发明实施例功率器件的弹簧件的正视图；
图7为本发明实施例功率器件的弹簧件的俯视图；
图8为本发明实施例功率器件的弹簧件的导电片的正视图；
图9为本发明实施例功率器件的弹簧件的导电片的展开图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，能够解决传统功率器件封装结构由于散热性能不好、功率器件内部芯片承受压力不均匀而导致功率器件封装结构可靠性低的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例功率器件的结构正视图，图2为本发明实施例功率器件的结构俯视图。
如图1-2所示，本发明提供的实现双面散热和压力均衡的功率器件为压接式封装结构，该功率器件包括导电盖板1、弹簧件2、导电触片3、上钼片4、芯片5、下钼片6、银垫片7、凸台以及导电基板9。
图3为本发明实施例功率器件的导电触片的立体结构图。
如图3所示，所述导电触片3包括圆环面301、底面302以及过渡件303。所述底面302和所述圆环面301通过所述过渡件303连接；所述圆环面301位于所述底面302之上；所述导电触片3的底面302为矩形；所述底面302上设有多个凹池结构3021，且相邻的所述凹池结构3021通过梯形连接件3022连接。
图3所示的阴影面积为导电触片3的放样部分；每个凹池结构3021的各参数视功率器件结构而定。如，根据功率器件的结构，本发明实施例提供的导电触片3有6个凹池结构3021。
导电触片3用于作为缓冲层，为所述芯片5的热胀冷缩提供缓冲功能，保护了芯片5表面的微敏感结构，改善了芯片5工作的一致性。
优选的，本发明实施例提供的导电触片3是由一个圆柱形薄片冲压而成。
导电触片3的结构的制作过程具体如下：首先将一个长方体薄层结构在水平面放置，然后在所述长方体薄层结构下方再放置一个长方形，其所述长方形的长、宽均大于所述长方体薄层结构的长与宽；所述长方体薄层结构的长宽和所述长方形的长宽的比例相同且分别平行；再在所述长方体薄层结构上方放置一个圆环薄层，与所述长方体薄层结构同轴；所述圆环薄层在水平面上的投影可将所述长方形在水平面的投影完全包含；最后分别由上至下依次将所述圆环薄层、所述长方体薄层结构的外轮廓以及所述长方形进行薄壁放样，并在长方体薄层结构上进行切除，即在长方体薄层结构上形成多个为正方形的空洞(即凹池结构3021)，其所述正方形的空洞的上边长大于所述正方形的空洞的底面的边长，然后在两个正方形的空洞的轮廓间薄壁放样形成凹池壁(即梯形连接件3022)，最终形成如图3所示的具有多个凹池结构的导电触片3。所述薄壁放样是通过在轮廓之间进行过渡生成薄壁特征实体。
结合图1、图2、图3所示，所述弹簧件2的一端与所述凹池结构3022的凹陷处机械连接，所述弹簧件2的另一端与所述导电盖板1连接，具体为所述弹簧件2的另一端与所述导电盖板1的凹槽连接。
所述凹池结构3021的凸陷处从上至下依次与所述上钼片4、所述芯片5、所述下钼片6、所述银垫片7、所述凸台以及所述导电基板9连接。
所述导电基板9和所述导电盖板1均为实心的圆柱形结构；所述导电盖板1的下表面设置与所述弹簧件2数量相同的，且结构为长方体的凹槽；所述凹槽与所述弹簧件2的另一端机械连接。所述凹槽的分布规律与所述凹池结构的分布规律相同。
所述导电基板9、所述凸台、所述导电触片3的中心均与所述导电盖板1的中心同轴，即当俯视本发明提供的功率器件时，所述导电基板9的中心、所述凸台的中心、所述导电触片3的中心均与所述导电盖板1的中心重合。
所述凸台放置于所述导电基板9上；所述凸台的上部分为多个实心的正方形结构801，且相邻所述实心的正方形结构801的间隙相同；所述实心的正方形结构801的个数与所述凹池结构3021的数量相同；所述凸台的下部分为实心的圆柱形结构802，与所述导电基板9同轴心。所述实心的正方形结构801是以圆柱形结构802的圆心为中心对称分布，所述凹池结构3021的分布规律与所述实心的正方形结构801的分布规律相同。
结合图1、图2、图3所示，本发明实施例提供的功率器件中，所述实心的正方形结构801以两行三列分布于圆柱形结构802上，即所述凹池结构3021也是以两行三列分布的，所述导电盖板1的下表面设置的凹槽也是以两行三列分布的。
每个芯片5的集电极通过下钼片6和银垫片7电连接凸台上的各个实心的正方形结构801的上表面，芯片5的发射极通过上钼片4电连接导电触片3的下表面。
所述导电盖板1的凹槽、所述弹簧件2、所述凹池结构3021、所述上钼片4、、所述芯片5、所述下钼片6、所述银垫片7、所述实心的正方形结构801的数量相同。
所述导电盖板1的凹槽的中心、所述弹簧件2的中心、所述凹池结构3021的中心、所述上钼片4的中心、所述芯片5的中心、所述下钼片6的中心、所述银垫片7的中心均与所述实心的正方形结构801的中心同轴。当俯视本发明提供的功率器件时，所述导电盖板1的凹槽的中心、所述弹簧件2的中心、所述凹池结构3021的中心、所述上钼片4的中心、所述芯片5的中心、所述下钼片6的中心、所述银垫片7的中心均与所述实心的正方形结构801的中心重合。
所述上钼片4、所述芯片5、所述下钼片6以及所述银垫片7均为参数不相同的实心的长方形薄层结构。所述银垫片7的厚度小于所述芯片5的厚度。所述银垫片7用于当所述银垫片7形变时，缓解所述芯片5受到的热应力。所述上钼4片和所述下钼片6用于保护所述芯片5。所述上钼片4和所述下钼片6的厚度均大于所述芯片5的厚度。
所述功率器件还包括壳体10；所述壳体10用于将本发明提供的功率器件的侧面包裹；所述壳体10的上边缘与所述导电盖板1连接，所述壳体10的下边缘与所述导电基板9连接，即所述导电盖板1和所述导电基板9通过所述壳体10相互连接。所述壳体10采用刚性材料制成，内部填充介质。
所述导电触片3的圆环面301穿过所述壳体10。
图4为本发明实施例功率器件的导电触片与散热管的俯视图，参见图4，所述功率器件还包括散热管11。所述散热管11设置在所述梯形连接件302上面。功率器件的散热功能由导电触片3以及散热管11实现，即所述散热管11用于降低所述功率器件内部的温度。所述散热管11的入口端和出口端均穿过所述壳体10。
所述功率器件还包括垫块；所述垫块为实心的长方形结构。所述垫块位于所述导电盖板1和所述导电触片3的圆环面301之间，且所述垫块与所述圆环面301连接；所述垫块用于在所述导电盖板1表面施加压力时，使所述导电触片3的圆环面301和所述导电盖板1间存在间隙；所述间隙为所述散热管11提供入口和出口。当本发明提供的功率器件工作时，在所述导电盖板1表面施加压力时，所述弹簧件2会收缩，所述导电盖板1会下降直至与所述垫块接触，使得所述导电触片3的圆环面301和所述导电盖板1间存在间隙，进而为散热管11提供入口和出口。
图5为本发明实施例功率器件的弹簧件的立体结构图。图6为本发明实施例功率器件的弹簧件的正视图。图7为本发明实施例功率器件的弹簧件的俯视图。
如图5-7所示，所述弹簧件2包括上圆环柱201、内圆环柱202、下圆环柱203、碟簧204、导电片205。所述内圆环柱202周围环绕着多个形状均为圆锥碟状的碟簧204，相邻所述碟簧204的方向相反。所述碟簧204与内圆环柱202同轴连接构成一个碟簧组，即若干碟簧组同轴连接构成弹簧件2的主体部分。在所述内圆环柱202轴向垂直方向上对称设有导电片205；所述导电片205一端连接所述上圆环柱201，所述导电片205的另一端连接所述下圆环柱203。两个导电片205相错同轴相连构成导电片组。将若干碟簧组与内圆环柱202同轴相连并同轴置于导电片组内部，与导电片205的内表面接触。导电片205折弯线可以与导电触片3内凹池结构3031的长平行，也可与导电触片3内凹池结构3031的宽平行。相邻弹簧件2的方向不同。
弹簧件2能够进一步为本发明提供的功率器件中的所述芯片5的热胀冷缩提供缓冲功能。
图8为本发明实施例功率器件的弹簧件的导电片的正视图；图9为本发明实施例功率器件的弹簧件的导电片的展开图。如图8-9所示，所述导电片205为折线形结构；所述导电片205包括两个相同的端部和一个中间部2501；两个相同的端部分别为第一端部2502和第二端部2503；所述中间部2501分别与第一端部2502、第二端部2503连接；所述中间部2501包括两个矩形结构，且这两个矩形结构成一定角度连接；所述第一端部2502、第二端部2503均为中心为圆形空心的门形结构；所述中心为圆形空心的门形结构用于将所述上圆环柱201、下圆环柱203套在所述圆形空心内，实现上圆环柱201、下圆环柱203的连接。
导电片205的结构的制作过程如下：首先将一个宽与内圆环柱202的外直径相同的长方体，沿着与长方体的宽平行的且经过长方体表面的长方形的中心的直线L折弯成α度，然后沿与直线L平行且相距相同距离(小于长方体长的二分之一)的两条直线向内折弯(180-α)度，最后在长方体端部切除，形成端部为中心为圆形空心的门形结构，最终形成如图8所示的折线形结构的导电片。
与现有技术相比，本发明实施例提供的功率器件的有益效果为：
1、相比传统IGBT封装功率器件，本发明的功率器件封装结构在芯片和弹簧件之间采用导电触片，导电触片的凹池结构底面和上钼片相接触，导电触片的凹池结构的凹陷处与弹簧件机械连接。当其中一个功率芯片由于结构或热膨胀等差异所受热应力变大时，其对应的凹池结构与弹簧件可通过产生向上的位移减少芯片的受力，同时其他芯片对应的凹池结构与弹簧件不受影响，减少了芯片与其余芯片受力的压力差，改善了芯片受力的平衡度，提高了功率器件封装结构的可靠性。
2、本发明中引入导电触片将功率器件封装结构分为两部分，将导热性能很差的弹簧件分隔在导电触层的上方，这样，导电触层下方一侧可以实现功率器件的正常工作；通过在导电触片表面放置散热装置，导电触片及散热装置则负责实现功率器件的散热功能，避免了通过弹簧件的散热通道进行散热，能够很好地实现功率器件的双面散热。
总结：本发明提供的功率器件封装结构，同时解决了传统功率器件由于散热性能不好、芯片承受压力不均匀导致可靠性低的问题。
另外，需要说明几点：
1、在导电触片上实现散热功能的方法不是唯一的，除了本发明实施例提出的排列散热管外，还可以直接在导电触片与导电盖板之间的空间通入散热介质实现散热。
2、可将导电触片替换为其他结构。替换的结构可将功率器件的上钼片及以下的部分、弹簧件及以上的部分分隔开，替换结构可与各上钼片及以下的部分形成一个密闭的空间。替换结构与各上钼片和弹簧件相接触，接触部分在芯片产生热膨胀时能够产生向上的位移，同时其余接触部分不受影响。
3、可将弹簧件替换为其他结构。替换结构分别与导电触片和导电盖板相接触，替换结构在芯片热膨胀时可收缩，产生弹性形变，参考弹簧件的弹性限度和弹性系数的数量级。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种实现双面散热和压力均衡的功率器件，所述功率器件为压接式封装结构，其特征在于，所述功率器件包括导电盖板、弹簧件、导电触片、上钼片、芯片、下钼片、银垫片、凸台以及导电基板；
所述导电触片包括圆环面、底面以及过渡件；所述底面和所述圆环面通过所述过渡件连接；所述圆环面位于所述底面之上；所述导电触片的底面为矩形；所述底面上设有多个凹池结构，且相邻的所述凹池结构通过梯形连接件连接；
所述弹簧件的一端与所述凹池结构的凹陷处机械连接，所述弹簧件的另一端与所述导电盖板连接；
所述凹池结构的凸陷处从上至下依次与所述上钼片、所述芯片、所述下钼片、所述银垫片、所述凸台以及所述导电基板连接。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括散热管；所述散热管设置在所述梯形连接件上；所述散热管用于降低所述功率器件内部的温度。
3.根据权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括垫块；所述垫块为实心的长方形结构；所述垫块位于所述导电盖板和所述导电触片的圆环面之间，且与所述圆环面连接；所述垫块用于在所述导电盖板表面施加压力时，使所述导电触片的圆环面和所述导电盖板间存在间隙；所述间隙为所述散热管提供入口和出口。
4.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括壳体；所述导电盖板和所述导电基板通过所述壳体相互连接。
5.根据权利要求4所述的功率器件，其特征在于，所述导电触片的圆环面穿过所述壳体。
6.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述弹簧件包括从上到下依次设置的上圆环柱、内圆环柱以及下圆环柱；所述内圆环柱周围环绕着多个形状为圆锥碟状的碟簧，且相邻所述碟簧的方向相反；在所述内圆环柱轴向垂直方向上对称设有导电片；所述导电片一端连接所述上圆环柱，所述导电片的另一端连接所述下圆环柱。
7.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述导电基板和所述导电盖板均为实心的圆柱形结构；所述导电盖板的下表面设置与所述弹簧件数量相同的凹槽，且所述凹槽与所述弹簧件的所述另一端机械连接；所述导电基板、所述凸台、所述导电触片的中心均与所述导电盖板的中心同轴。
8.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述凸台放置于所述导电基板上；所述凸台的上部分为多个实心的正方形结构，且相邻所述实心的正方形结构的间隙相同；所述实心的正方形结构的个数与所述凹池结构的数量相同；所述凸台的下部分为实心的圆柱形结构，且与所述导电基板同轴心。
9.根据权利要求8所述的功率器件，其特征在于，所述弹簧件的中心、所述凹池结构的中心、所述上钼片的中心、所述芯片的中心、所述下钼片的中心、所述银垫片的中心均与所述实心的正方形结构的中心同轴。
10.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述上钼片、所述芯片、所述下钼片以及所述银垫片均为参数不相同的长方形薄层结构；所述银垫片的厚度小于所述芯片的厚度；所述银垫片用于当所述银垫片形变时，缓解所述芯片受到的热应力；所述上钼片和所述下钼片用于保护所述芯片；所述上钼片和所述下钼片的厚度均大于所述芯片的厚度。
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