CN111261601B - 一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其包括自上而下依次设置的正极散热片、直流正极铜排、交流输出铜排、直流负极铜排和负极散热片；所述的交流输出铜排的两侧对称安装有半导体芯片单元，半导体芯片单元的***均匀分布有贯穿压接式模块的螺纹孔，通过绝缘双头螺丝紧固，由绝缘双头螺丝上的外螺纹与螺纹孔的内螺纹咬合产生压接力；本发明采用内嵌夹具实现模块压接，将铜排、散热器作为模块的组成部分，因此实现了高功率密度和高集成度；相比于传统压接式封装功率模块，本发明技术方案由于优化了夹具设计，降低了设计成本，简化了制作流程，该压接式封装功率模块用于实现高功率密度整流器。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件技术领域，具体涉及一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块。
背景技术
压接式封装技术，相比塑封焊接式封装技术，具有免绑定线、无焊料层、双面散热、短路失效等应用特点，以此封装技术制成的大功率半导体模块，如晶闸管(SCR)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、压接式绝缘栅双极晶体管(IGBT)等，具有热阻抗低、安全工作区宽、额定功率大等优点，广泛应用于柔性直流输电、高速轨道交通、远距离风力发电等工况复杂、环境恶劣、对可靠性要求高的场合。
由于压接式封装技术的特殊性，为实现模块内部和模块与模块之间可靠的电气连接，需对模块芯片施加10～20兆帕斯卡的压强。如附图1所示的是应用在现有商业化压接式模块中一种典型的压接力实现夹具结构，包括紧固螺栓1、支撑板2、紧固螺柱3、碟形弹簧组4、承重板5、散热器6、压接式模块7等部分。其中碟形弹簧组4由若干个相同的碟形弹簧堆叠而成，以满足压接式模块7所需的压接力。在压接式模块7外部的四个角落垂直放置紧固螺柱1，通过支撑板2和紧固螺柱3将碟形弹簧组4的形变固定，使碟形弹簧组4保持压缩状态并维持压接力。
尽管该夹具能够实现加压并维持压力，然而尚有以下缺点亟待改进：(1)夹具需要与压接式模块尺寸相近的支撑板和承重板，同时需要外加紧固件和碟形弹簧组，增加了整套功率变换装置的体积和使用成本；(2)由于采用集中式的压力维持方式，使得压接式模块内部芯片之间的受压不均衡，模块中心部位的芯片受力较大而模块边缘位置的芯片受力较小；(3)由于夹具设计复杂，对操作精度要求较高，加上芯片受压不均衡，一旦操作有误，则会造成中心芯片破损或边缘芯片连接无效。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，将传统外架的压接夹具去除，利用导电铜排、散热铝片直接作为压力接触件，在模块内部嵌入双头圆柱螺丝，均匀分布在芯片周围，施加并维持芯片所需压接力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，包括自上而下依次连接的正极散热片、压接式模块和负极散热片；所述的压接式模块包括直流正极铜排、交流输出铜排、直流负极铜排和半导体芯片单元。
所述的交流输出铜排的两侧对称安装有半导体芯片单元，半导体芯片单元的***均匀分布有贯穿直流正极铜排、交流输出铜排和直流负极铜排的螺纹孔，通过绝缘双头螺丝紧固，由绝缘双头螺丝上的外螺纹与螺纹孔的内螺纹咬合产生压接力；所述直流正极铜排和直流负极铜排的上下表面均设有绝缘膜，直流正极铜排和直流负极铜排上设有直流母线电容接口，交流输出铜排上设有负载接口。
作为本发明的优选，所述的交流输出铜排的上下表面对称设有供半导体芯片单元安装的定位凹槽一和定位凹槽二，半导体芯片单元的正极与定位凹槽二紧密贴合，负极与定位凹槽一紧密贴合；直流正极铜排下层绝缘膜和直流负极铜排上层绝缘膜设有供半导体芯片单元穿过的通孔。
作为本发明的优选，所述的绝缘双头螺丝的高度与直流正极铜排的上表面、以及交流输出铜排的下表面平齐。
作为本发明的优选，所述半导体芯片单元是由上钼片、半导体芯片、下钼片和铝片自上而下形成的一体化叠层组件；所述半导体芯片的正极与上钼片压接接触，负极与下钼片压接接触。
作为本发明的优选，所述上钼片和下钼片的厚度为100μm～400μm，铝片厚度为50μm～200μm。
作为本发明的优选，所述半导体芯片采用硅二极管芯片、肖特基二极管芯片、碳化硅二极管芯片或碳化硅二极管芯片。
作为本发明的优选，所述半导体芯片单元设有阶梯限位结构，直流正极铜排下层绝缘膜和直流负极铜排上层绝缘膜设有供半导体芯片单元穿过的阶梯孔，阶梯孔与所述阶梯限位结构匹配。
作为本发明的优选，所述的绝缘双头螺丝由聚醚醚酮制成，绝缘膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
作为本发明的优选，每层绝缘膜厚度在50μm以上。
作为本发明的优选，所述的正极散热片、压接式模块和负极散热片上设有贯通的螺纹孔，通过加长的绝缘双头螺丝紧固。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中的功率模块取消了碟形弹簧、支撑板、承重板等外架夹具，采用内嵌式的高强度双头螺丝分布与芯片周围，保证压接力的同时提高了模块功率密度。
(2)本发明中将直流侧正负极铜排压接之后形成叠层结构，同时以绝缘膜保证绝缘强度，在确保安全应用的同时降低了功率回路的杂散参数。
(3)本发明将散热片贴合在直流铜排表面，实现了压接式封装模块的双面散热特点，降低了模块整体的热阻抗。
(4)本发明中并联的被压芯片单元周围均匀分布双头螺丝，将旋转力矩转化为压力并通过铜排紧固压接芯片单元，既保证了单个芯片上压力均匀，也保证了并联的被压芯片单元之间的压力分布均匀。通过均匀分布的机械压接应力，保证了芯片与铜排之间的接触热阻和接触电阻的均匀分布，避免了应用过程中温度极热点的出现，使压接式封装模块在多芯片并联情况下依然保持高可靠性。
附图说明
图1为传统的典型压接力实现夹具的结构示意图；
图2为本发明高集成度压接式封装功率模块的一种具体实施方式结构分解示意图；
图3为本发明高集成度压接式封装功率模块的一种具体实施方式的整体结构剖面示意图；
图4为本发明高集成度压接式封装功率模块的一种具体实施方式的局部结构剖面示意图；
图中：1-紧固螺栓，2-支撑板，3-紧固螺柱，4-碟形弹簧组，5-承重板，6-散热器，7-压接式模块，8-正极散热片，9-加长的绝缘双头螺丝，10-直流正极铜排上层绝缘膜，11-直流正极铜排，12-绝缘双头螺丝，13-直流正极铜排下层绝缘膜，14-半导体芯片单元，15-交流输出铜排，16-交流输出铜排上层绝缘膜，17-直流负极铜排，18-交流输出铜排下层绝缘膜，19-负极散热片，20-上钼片，21-半导体芯片，22-绝缘膜，23-下钼片，24-铝片，25-直流正极铜排或交流输出铜排的下表面，26-直流负极铜排或交流输出铜排的上表面，27-定位凹槽。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面将结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、详细地描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，一系列描述方位的术语，如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等均表示的是基于附图所指的方位或位置关系，仅是为了方便本发明的描述，而不是指示或暗示本发明中的装置或部件必须具有特定的方位或以特定的方位进行构造或操作，因此不能理解成对本发明的限制。
如图2所示给出了本发明夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块的一种具体实施方式结构分解示意图，基于本发明的压接式封装功率模块主要包括双面压接钼片及铝片的半导体芯片单元、采用叠层结构的直流导电铜排和交流导电铜排、带翅片的铝制散热片、高强度绝缘双头螺丝、以及绝缘膜，其中双头螺丝由聚醚醚酮制成，绝缘膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
具体的，直流导电铜排包括直流正极铜排11和直流负极铜排17，交流导电铜排作为交流输出铜排15；所述的交流输出铜排15的两侧对称安装有半导体芯片单元14，半导体芯片单元14的***均匀分布有贯穿直流正极铜排11、交流输出铜排15和直流负极铜排17的螺纹孔，通过绝缘双头螺丝12紧固，由绝缘双头螺丝12上的外螺纹与螺纹孔的内螺纹咬合产生压接力；所述直流正极铜排11和直流负极铜排17的上下表面均设有绝缘膜，直流正极铜排11和直流负极铜排17上设有直流母线电容接口，交流输出铜排15上设有负载接口。
以下给出夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块在本发明的一个优选实施中的结构及其制作方法。
在直流正极铜排11、直流负极铜排17和交流输出铜排15中间打直通孔，在直流正极铜排11和直流负极铜排17上拉出螺距一致的右旋螺纹线，并使得各孔位置对齐、直径一致。在直流正极铜排11、交流输出铜排15、直流负极铜排17上开挖方形定位凹槽，其中交流输出铜排15双面开挖方形定位凹槽且位置对应，直流正极铜排11下表面、交流输出铜排15下表面的凹槽长度和宽度保持与半导体芯片单元14的正极表面一致，直流负极铜排17上表面、交流输出铜排15上表面的凹槽长度和宽度保持与半导体芯片单元14的负极表面一致，半导体芯片单元14的正负极与凹槽紧密贴合。
在直流正极铜排上层绝缘膜10、直流正极铜排下层绝缘膜13、直流负极铜排上层绝缘膜16、直流负极铜排下层绝缘膜18均打出直通孔，各孔位置与直流正极铜排11、交流输出铜排15、直流负极铜排17均保持对齐且尺寸一致。在直流正极铜排下层绝缘膜13、直流负极铜排上层绝缘膜16上挖直通方形孔，尺寸与各半导体芯片单元14尺寸一致。该绝缘膜上的直通方形孔与铜排上方形定位凹槽位置对齐，配合定位并卡牢半导体芯片单元14。
将直流正极铜排上层绝缘膜10、直流正极铜排11、直流正极铜排下层绝缘膜13、半导体芯片单元14、交流输出铜排15、直流负极铜排上层绝缘膜16、直流负极铜排17、直流负极铜排下层绝缘膜18沿竖直方向由上到下对齐放置，将半导体芯片单元14放置在方形定位凹槽当中，并通过凹槽、绝缘膜上的直通方形孔固定。
将双头螺丝12的螺距设置为直流正极铜排11和直流正负铜排17中的螺距，使双头螺丝两端的螺纹长度与两直流铜排厚度保持一致，绝缘双头螺丝12的高度与直流正极铜排11的上表面、以及交流输出铜排15的下表面平齐。将绝缘双头螺丝12嵌入到铜排、绝缘膜上已打好的直通孔内，固定并施加相同大小的力矩右旋拧紧螺丝，将旋转力矩转化为压接力，带动铜排压接半导体芯片单元14。
将正极散热片8和负极散热片19分别贴合在直流正极铜排上层绝缘膜10和直流负极铜排下层绝缘膜18的表面，在散热片、铜排、绝缘膜角落打直通螺纹孔，通过加长的绝缘双头螺丝9嵌入到散热片、铜排、绝缘膜打好的直通螺纹孔内，不需施加力矩，直接固定散热器即可整合，形成如图3所示的高集成度压接式封装功率模块。
在本实施例中，被压半导体芯片单元14及定位凹槽剖视图如图4所示。其中包括：上钼片20、半导体芯片21、绝缘膜22、下钼片23、铝片24、直流正极铜排11或交流输出铜排15的下表面25、直流负极铜排17或交流输出铜排15的上表面26、位于直流铜排与交流铜排之间的定位凹槽27。
所述的上钼片20尺寸与半导体芯片21正极的导电尺寸一致，下钼片尺寸与半导体芯片21负极的导电尺寸一致，铝片尺寸与下钼片尺寸一致，由于半导体芯片21正极的导电尺寸比半导体芯片21负极的导电尺寸大，因此在半导体芯片单元14的半导体芯片21负极处设有阶梯限位结构，上宽下窄。被压半导体芯片单元14整体放置于定位凹槽27之内，直流正极铜排下层绝缘膜和直流负极铜排上层绝缘膜设有供半导体芯片单元14穿过的阶梯孔，阶梯孔与所述阶梯限位结构匹配，定位凹槽与绝缘膜同时起到定位作用。为了与半导体芯片单元14的结构匹配，定位凹槽27包括设置在铜排下表面25上的大凹槽和设置在铜排上表面26上的小凹槽。
半导体芯片21的正极与上钼片20连接，负极与下钼片23连接，铝片24处于下钼片23和定位凹槽27之间。上钼片20的热膨胀系数处于铜排和半导体芯片21之间，在受热时引起的形变处于定位凹槽27和半导体芯片21之间，可起到缓冲作用。下钼片23和铝片24依次由上到下放置在半导体芯片21和铜排之间，可由下钼片23缓冲受热时定位凹槽27和半导体芯片21的形变，由铝片24缓冲上钼片20、半导体芯片21、下钼片23整体和小凹槽口的剩余应力。具体地，上钼片20和下钼片23的厚度为100μm～400μm，铝片厚度为50μm～200μm。绝缘膜22分为两层，每层厚度相同，在固定半导体芯片单元14的同时起到电气绝缘作用，防止两相邻铜排之间短路。具体地，绝缘膜每层厚度在50μm以上。
在本发明的另一个实施例中，所述的交流输出铜排15的上下表面对称设有供半导体芯片单元14安装的定位凹槽一和定位凹槽二；半导体芯片单元14的宽度均匀一致，正极与定位凹槽二紧密贴合，负极与定位凹槽一紧密贴合；直流正极铜排下层绝缘膜13和直流负极铜排上层绝缘膜16设有供半导体芯片单元14穿过的通孔，仅通过交流输出铜排即可完成半导体芯片单元14的定位，且半导体芯片单元14的高度略高于定位凹槽一和定位凹槽二的槽深。所述半导体芯片单元14是由尺寸除厚度以外均一致的上钼片、半导体芯片、下钼片和铝片自上而下形成的一体化叠层组件；所述半导体芯片的正极与上钼片压接接触，负极与下钼片压接接触，所述半导体芯片采用硅二极管芯片、肖特基二极管芯片、碳化硅二极管芯片或碳化硅二极管芯片。
本发明与现有技术相比，如附图1所示的是应用在现有商业化压接式模块中一种典型的压接力实现夹具结构，包括紧固螺栓1、支撑板2、紧固螺柱3、碟形弹簧组4、承重板5、散热器6、压接式模块7等部分。其中碟形弹簧组4由若干个相同的碟形弹簧堆叠而成，以满足压接式模块7所需的压接力。在压接式模块7外部的四个角落垂直放置紧固螺柱1，通过支撑板2和紧固螺柱3将碟形弹簧组4的形变固定，使碟形弹簧组4保持压缩状态并维持压接力。
综上，本发明中的压接式封装功率模块，相比较传统的压接式功率模块，无需采用键合线工艺和焊接工艺，半导体芯片只需施加压力并满足压接力条件，即可通过钼片等金属薄片实现电气连接，避免了因绑定线易脱落和焊料层易磨损带来的失效问题；无需采用外夹具，省却了大体积的紧固件、承重板等，节省了成本和模块重量；采用特定的内嵌式夹具结构，维持压接力的同时节省夹具空间，并使被压半导体芯片承压均匀；采用特定的铜排和散热器集成结构，有效降低了杂散电感和热阻抗，实现了具有高集成度特性的功率模块。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，包括自上而下依次连接的正极散热片（8）、压接式模块和负极散热片（19）；所述的压接式模块包括直流正极铜排（11）、交流输出铜排（15）、直流负极铜排（17）和半导体芯片单元（14）；
所述的交流输出铜排（15）的上下表面对称设有供半导体芯片单元安装的定位凹槽一和定位凹槽二，半导体芯片单元的正极与定位凹槽二紧密贴合，负极与定位凹槽一紧密贴合；直流正极铜排下层绝缘膜（13）和直流负极铜排上层绝缘膜（16）设有供半导体芯片单元（14）穿过的通孔；所述的交流输出铜排（15）的两侧对称安装有半导体芯片单元（14），半导体芯片单元（14）的***均匀分布有贯穿直流正极铜排（11）、交流输出铜排（15）和直流负极铜排（17）的螺纹孔，通过绝缘双头螺丝（12）紧固，由绝缘双头螺丝（12）上的外螺纹与螺纹孔的内螺纹咬合产生压接力；所述直流正极铜排（11）和直流负极铜排（17）的上下表面均设有绝缘膜，直流正极铜排（11）和直流负极铜排（17）上设有直流母线电容接口，交流输出铜排（15）上设有负载接口；
所述半导体芯片单元设有阶梯限位结构，直流正极铜排下层绝缘膜和直流负极铜排上层绝缘膜设有供半导体芯片单元穿过的阶梯孔，阶梯孔与所述阶梯限位结构匹配；所述的正极散热片（8）、压接式模块和负极散热片（19）上设有贯通的螺纹孔，通过加长的绝缘双头螺丝紧固；
所述半导体芯片单元（14）是由上钼片（20）、半导体芯片（21）、下钼片（23）和铝片（24）自上而下形成的一体化叠层组件；所述半导体芯片（21）的正极与上钼片（20）压接接触，负极与下钼片（23）压接接触。
2.如权利要求1所述的一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，所述的绝缘双头螺丝（12）的高度与直流正极铜排（11）的上表面、以及交流输出铜排（15）的下表面平齐。
3.如权利要求1所述的一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，所述上钼片和下钼片的厚度为100μm~400μm，铝片厚度为50μm~200μm。
4.如权利要求1所述的一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，所述半导体芯片采用硅二极管芯片、肖特基二极管芯片或碳化硅二极管芯片。
5.如权利要求1所述的一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，所述的绝缘双头螺丝（12）由聚醚醚酮制成，绝缘膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
6.如权利要求1所述的一种夹具内嵌型的高集成度压接式封装功率模块，其特征在于，每层绝缘膜厚度在50μm以上。
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