CN210073809U - 一种压接式igbt内部封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种压接式IGBT内部封装结构，该结构包括IGBT/FRD芯片和碳化硅铝层，所述碳化硅铝层位于IGBT/FRD芯片的上、下两方，并且IGBT/FRD芯片与碳化硅铝层之间设置有焊接层，所述IGBT/FRD芯片的上下表面均设有金属层。本实用新型提出的陶瓷管壳封装压接式IGBT的碳化硅铝‑焊接层‑IGBT/FRD芯片—焊接层‑碳化硅铝内部结构，大大简化了陶瓷管壳封装压接式IGBT的封装工艺操作，保证了压接式IGBT的双面散热，满足大电流通流和高可靠性要求。
Description
技术领域
本实用新型属于IGBT封装结构技术领域，具体涉及一种压接式IGBT 内部封装结构。
背景技术
IGBT是MOSFET和双极晶体管的复合器件，既有MOSFET易驱动的特点，又有功率晶体管高电压、大电流等特点，是世界公认的电力电子第三次技术革命代表性产品。
压接式IGBT与焊接式IGBT相比较，具有双面散热、更宽广的安全工作区(SOA)、更高的工作结温、无引线、高可靠性及失效短路特殊特性等优势，在柔性直流输电换流阀中的器件直接串联、应用环境苛刻和高可靠性要求的应用领域中具有非常显著的竞争优势。
大多数压接式IGBT的结构设计与晶闸管、GTO、IGCT等常规功率器件类似，外部采用陶瓷管壳封装，内部封装结构因生产企业的不同而各不相同，且压接式IGBT内部封装结构均为各生产企业技术保护限制。
目前，市场公开销售的陶瓷管壳封装压接式IGBT的内部结构主要有钼片-IGBT/FRD芯片-钼片结构(如图1所示)、钼片-IGBT/FRD芯片-钼片 -银片结构(如图2所示)、钼片-银烧结层-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构(如图3所示)。以上三种陶瓷管壳封装压接式IGBT内部结构对所封装IGBT/FRD芯片的发射极表面的金属层厚度有特殊要求。如图4和图5 所示，以上三种陶瓷管壳封装压接式IGBT内部结构要求IGBT/FRD芯片发射极表面金属层较普通焊接式IGBT封装用IGBT/FRD芯片发射极表面 AlSi1金属层更厚，实现压接式封装结构中的施压缓冲，同时满足压接式 IGBT失效短路模式的短路连接。市场公开的陶瓷管壳封装压接式IGBT 模块的内部结构存在组装工艺难操作的问题。其中钼片-IGBT/FRD芯片- 钼片结构、钼片-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构的压接式IGBT器件因组装组件较多，且芯片、银片厚度较薄，芯片材质脆，银片材质软，相互定位较难实现，封装工艺较为复杂，且装配过程中芯片的损失率较大。钼片 -银烧结层-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构首先采用纳米银焊料实现芯片集电极与钼片的烧结固定，且引入银烧结层作为压接缓冲层，较钼片 -IGBT/FRD芯片-钼片结构、钼片-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构，在组装简易性和芯片的损失率方面有较大提升，但发射极边的钼片-银片结构方面并未改变，也存在相互定位较难实现，封装工艺较为复杂的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种压接式IGBT内部封装结构，该结构能够封装于陶瓷管壳内，其采用碳化硅铝(AlSiC)层、焊接层、IGBT/FRD芯片、焊接层、碳化硅铝(AlSiC) 层结构设计，可简化陶瓷管壳封装压接式IGBT的封装操作工艺，能够满足陶瓷管壳封装压接式IGBT封装组装工艺简单、芯片碎片率低的要求。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种压接式IGBT 内部封装结构，该结构封装于陶瓷管壳内，其特征在于：包括IGBT/FRD 芯片和碳化硅铝层，所述碳化硅铝层位于IGBT/FRD芯片的上、下两方，并且IGBT/FRD芯片与碳化硅铝层之间设置有焊接层，所述IGBT/FRD芯片的上下表面均设有金属层。
上述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述金属层为 Al/Ti/Ni/Ag四层一体化金属层。
上述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述金属层的厚度为2um～5um。
上述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述IGBT/FRD 芯片为Si基IGBT/FRD芯片。
上述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述焊接层的焊料为锡铅银或纳米银。
上述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：碳化硅铝层的焊接面镀有金属Ni。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型认为，由于碳化硅铝(AlSiC)材料与钼比较，碳化硅铝 (AlSiC)材料和钼的膨胀系数CTE均与硅片相近，但AlSiC采购成本低，且AlSiC自身表面的薄覆铝层因材质较软，能够更好的充当压接界面的缓冲层，实现和陶瓷管壳铜接触电极的良好连接。同时，碳化硅铝(AlSiC)具有较好的导热性能，也具有较好的导电性能，能够满足压接式IGBT双面散热和电气连接通流性能的需求。还有，AlSiC易实现与IGBT/FRD芯片的集电极、发射极的焊接，可形成碳化硅铝(AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)的一体化内部结构，便于压接式IGBT的模块化组装，封装工艺较为简化。
2、结合本实用新型提出的新型陶瓷管壳封装压接式IGBT内部结构需求，为了实现芯片发射极、集电极与AlSiC的焊接，IGBT/FRD芯片上下表面金属层均优选采用Al/Ti/Ni/Ag四层一体式金属层，厚度约2～5um，更易实现与 AlSiC焊接形成压接式IGBT的通流路径和散热路径；且焊接层形成AlSiC与 IGBT/FRD芯片之间承受压力形变的缓冲层，在压接式IGBT短路情况下，焊接层重新熔化实现压接式IGBT特有的失效短路模式。
3、本实用新型提出的陶瓷管壳封装压接式IGBT的碳化硅铝(AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)内部结构，大大简化了陶瓷管壳封装压接式IGBT的封装工艺操作，保证了压接式IGBT的双面散热，满足大电流通流和高可靠性要求。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
附图说明
图1为传统钼片-IGBT/FRD芯片-钼片结构示意图。
图2为传统钼片-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构示意图。
图3为传统钼片-银烧结层-IGBT/FRD芯片-钼片-银片结构示意图。
图4为传统设有表面金属层的压接式IGBT用IGBT/FRD芯片结构示意图。
图5为传统设有表面金属层的焊接式IGBT用IGBT/FRD芯片结构示意图。
图6为本实用新型压接式IGBT内部封装结构示意图。
图7为本实用新型设有表面金属层的压接式IGBT用IGBT/FRD芯片结构示意图。
图8为由本实用新型压接式IGBT内部封装结构制成的陶瓷管壳封装压接式IGBT的结构示意图。
附图标记说明:
| 1—钼片； | 2—IGBT/FRD芯片； | 3—银片； |
| 4—银烧结层； | 5—发射极加厚的金属层； | 6—集电极金属层； |
| 7—发射极AlSi1金属层； | 8—陶瓷管壳； | 9—AlSiC； |
| 10—焊接层； | 11-金属层。 |
具体实施方式
本实用新型为了简化陶瓷管壳压接式IGBT封装工艺，实现压接式IGBT 的研制，经过刻苦技术攻关，终于设计了一种压接式IGBT内部结构。如图6 所示，该结构具体包括IGBT/FRD芯片2和碳化硅铝层9，所述碳化硅铝层9位于IGBT/FRD芯片2的上、下两方，并且IGBT/FRD芯片2与碳化硅铝层9之间设置有焊接层10，所述IGBT/FRD芯片2的上下表面均设有金属层11。
本实用新型通过数次试验得出，金属层11的材质优选为Al/Ti/Ni/Ag 四层一体化金属层，厚度优选为2um～5um。其中Al/Ti/Ni/Ag四层一体化金属层为现有材料。IGBT/FRD芯片2优选采用Si基IGBT/FRD芯片。焊接层10采用的焊料优选为锡铅银或纳米银。碳化硅铝层9的焊接面镀有金属Ni。
本实用新型认为，由于碳化硅铝(AlSiC)材料与钼比较，碳化硅铝(AlSiC) 材料和钼的膨胀系数CTE均与硅片相近，但AlSiC采购成本低，且AlSiC自身表面的薄覆铝层因材质较软，能够更好的充当压接界面的缓冲层，实现和陶瓷管壳铜接触电极的良好连接。同时，碳化硅铝(AlSiC)具有较好的导热性能，也具有较好的导电性能，能够满足压接式IGBT双面散热和电气连接通流性能的需求。还有，AlSiC表面可镀镍层，更易实现与IGBT/FRD芯片的集电极、发射极的焊接，可形成碳化硅铝(AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)的一体化内部结构，便于压接式IGBT的模块化组装，封装工艺较为简化。
作为对比示例，目前常见的设有表面金属层的焊接式IGBT用IGBT/FRD 芯片结构如图5所示，IGBT发射极/FRD集电极表面金属层为Al/Ti/Ni/Ag 四层一体化金属层,厚度约为2～5um,易于与锡铅银、纳米银等焊料形成焊接；而IGBT集电极/FRD发射极表面镀层为AlSi1,厚度约为4～5um，主要通过铝线键合方式进行电连接，无法通过焊料实现焊接连接。
结合本实用新型提出的新型陶瓷管壳封装压接式IGBT内部结构需求，为了实现芯片发射极、集电极与AlSiC的焊接，IGBT/FRD芯片上下表面金属层优选采用Al/Ti/Ni/Ag四层一体化金属层，厚度约为2um-5um，如图7所示，更易实现与AlSiC焊接形成压接式IGBT的通流路径和散热路径。且焊接层形成AlSiC与IGBT/FRD芯片之间承受压力形变的缓冲层，在压接式IGBT 短路情况下，焊接层重新熔化实现压接式IGBT特有的失效短路模式。
本实用新型设计的封装于陶瓷管壳内的压接式IGBT内部结构的制备方法为：首先，通过IGBT/FRD芯片表面金属化工艺生产出新型陶瓷管壳封装压接式IGBT需要的特殊金属层结构的IGBT/FRD芯片，具体结构见图7所示；然后，采用通用的锡铅银或纳米银焊料，实现碳化硅铝(AlSiC)与IGBT/FRD芯片之间的焊接，形成碳化硅铝(AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)一体化内部结构，具体如图6所示；最后，按照将通过焊接工艺形成的碳化硅铝(AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)内部结构与陶瓷管壳进行装配，形成新型陶瓷管壳封装压接式IGBT，结构见图8所示。
综上所述，本实用新型提出的陶瓷管壳封装压接式IGBT的碳化硅铝 (AlSiC)-焊接层-IGBT/FRD芯片—焊接层-碳化硅铝(AlSiC)内部结构，大大简化了陶瓷管壳封装压接式IGBT的封装工艺操作，保证了压接式IGBT 的双面散热，满足大电流通流和高可靠性要求。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种压接式IGBT内部封装结构，该结构封装于陶瓷管壳(8)内，其特征在于：包括IGBT/FRD芯片(2)和碳化硅铝层(9)，所述碳化硅铝层(9)位于IGBT/FRD芯片(2)的上、下两方，并且IGBT/FRD芯片(2)与碳化硅铝层(9)之间设置有焊接层(10)，所述IGBT/FRD芯片(2)的上下表面均设有金属层(11)。
2.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述金属层(11)为Al/Ti/Ni/Ag四层一体化金属层。
3.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述金属层(11)的厚度为2um～5um。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述IGBT/FRD芯片(2)为Si基IGBT/FRD芯片。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：所述焊接层(10)的焊料为锡铅银或纳米银。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种压接式IGBT内部封装结构，其特征在于：碳化硅铝层(9)的焊接面镀有金属Ni。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109659280A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-19 | 西安中车永电电气有限公司 | 一种压接式igbt内部封装结构 |
| WO2023206594A1 (zh) * | 2022-04-29 | 2023-11-02 | 赵岩 | 一种压接结构的碳化硅器件及其制造方法 |
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