CN103426782B - 一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，采用DCB陶瓷片作为绝缘陶瓷片，首先在DCB陶瓷片的上下两面都直接键合铜，形成无氧铜层；然后在255~265℃的温度下将DCB陶瓷片与共用电极焊接成一体；焊完后清洗，在共用电极下表面未焊接的区域涂上绝缘胶，固化后若绝缘电压≥2500V，进行模块进一步的制造；将电力半导体芯片与模块中共用电极以上的结构依次的进行两两结构的直接压接；最后将加工好的DCB陶瓷片的下表面直接压接在模块的铜底板上，再对组装完成的模块进行一次整体性的灌封绝缘胶，再一次固化后，该模块即可待用。本发明提高了成品合格率，增强了导热和绝缘效果。

Description

一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法
技术领域
本发明涉及电力半导体模块的制造方法，具体是一种融合了焊接技术制造压接式绝缘型电力半导体模块的方法。
背景技术
电力半导体模块根据其制造方式分为焊接式和压接式两大类，同时根据绝缘性可分为焊接式绝缘型模块、焊接式非绝缘型模块、压接式绝缘型模块、压接式非绝缘型模块四类。由于电力半导体模块的外形尺寸和安装尺寸的标准化，与容量的分立器件相比，它具有外接简单，结构紧凑，体积小，重量轻，互换性好，安装和维修方便等诸多优点已成为分立器件的更新换代产品，已被广泛地应用在机电行业的各个领域，如加热控温、电机调速、软起动、无功补偿、变频、逆变等诸多领域。
焊接式绝缘型电力半导体模块的制造方法是将电力半导体芯片（整流管、晶闸管、GTR、MOSFET、IGBT等）与共用电极、绝缘陶瓷片等模块结构件焊接在模块铜底板上。这种制造方法的优点是绝缘和导热效果好，但缺点是采用焊接的成本高，生产效率不高。
为了降低成本，提高生产效率，很多生产厂家选择制造压接式绝缘型电力半导体模块。如附图1所示，是现有的压接式绝缘型电力半导体模块的内部结构图。它的制造方法是这样的：将电力半导体芯片10与压板9、蝶形弹簧8、绝缘体7、阴极压板6、绝缘陶瓷片5、共用电极1压装在模块铜底板4上，两两之间均分别压接，共用电极从模块上端引出，共用电极与铜底板之间用绝缘陶瓷片（Al2O3、AlN、BeO等）作导热和电绝缘。模块工作时，铜底板是不带电的，共用电极和铜底板之间和绝缘电压要求达到A-C2500伏（A.C）以上，以保障人们的生命财产安全。如附图2所示，是现有压接式绝缘型电力半导体模块的底下部分结构图。其中绝缘陶瓷片5起着导热和绝缘的双重作用，而陶瓷片本身的抗弯强度很低，易碎，一般它要承受10MP以上的压力，这就要求它的上下表面及共用电极和铜底板表面的平整度、粗糙度、平行度要达到很高的标准，并要求所施加的压力均匀和平行，这些要求在实践中是很难完全做到的。在制造模块时通常会出现下列现象：一是陶瓷片会碎裂，绝缘通不过；二是糙粗度和平行度不好，表面之间接触不良使热阻增大，压力不均使电力半导体芯片的通态能力较差，甚至把芯片烧毁；三是由于这种压接方式导致陶瓷片与共用电极、铜底板接触不良，在灌封流动性很好的硅凝胶时，胶很容易渗透到陶瓷片上下两接触面的缝隙中去，严重影响它的导热效果；四是陶瓷片、共用电极与芯片之间的相对位置容易偏离，达不到好的散热效果。
针对现有的压接式绝缘型电力半导体模块制造存在的问题，需要对其制造方法提出改进，最主要的是要解决导热和绝缘问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，该方法能够解决背景技术中的导热和绝缘问题，同时能够提高工作效率，提高了模块的生产成品率。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，采用DCB陶瓷片作为绝缘陶瓷片，其特征在于，包括如下步骤：首先在DCB陶瓷片的上下两面都直接键合铜，形成无氧铜层；然后在255~265℃的温度下用专用焊膏和定位卡具将加工好的DCB陶瓷片与共用电极焊接成一体；焊完后，将其清洗干净，在共用电极下表面未焊接的区域涂上绝缘胶，待其固化后测量共用电极与DCB陶瓷片下表面之间的绝缘电压，若绝缘电压≥2500V，是安全的绝缘电压；再将电力半导体芯片与模块中的压板、蝶形弹簧、绝缘体、阴极压板依次的进行两两结构的直接压接；当共用电极以上部分都压接完成后，最后将加工好的DCB陶瓷片的下表面直接压接在模块的铜底板上，再对组装完成的模块进行一次整体性的灌封绝缘胶，再一次固化后，该模块即可待用。
优选的：DCB陶瓷片中的陶瓷可以是Al2O3和ALN；上述的共用电极可以是单一的电极；整个模块的制造过程中可以只在模块组装完成后最后进行一次性的灌封绝缘胶，而不需要涂绝缘胶的步骤。
绝缘胶可以是硅凝胶或者硅橡胶。
本发明的有益效果：DCB陶瓷片的上下两面都是无氧铜层，其上面是焊接，下面是压接，焊接面的热阻几乎为零，故而压接面的接触热阻也将降到最低，这就大大提高了电力半导体模块的热学性能和可靠性，并可降低对共用电极、铜底板表面平整度、粗糙度的要求，降低加工成本。同时在灌封硅凝胶时，胶也不会渗透到DCB陶瓷片的里面从而增加热阻和降低导热性能。本发明中采用定位卡具将DCB陶瓷片与共用电极焊接成一体，陶瓷片与共用电极的相对位置不会产生偏离，能够准确定位，最大化增加导热面积。采用本发明的制造方法，绝缘电压也有保障，在DCB陶瓷片与共用电极焊完之后，在共用电极的焊接面的未焊接区域内涂上硅凝胶，待其固化后，即可测量共用电极与DCB陶瓷片下表面之间的绝缘电压，合格后进行下一步的制造，能够最大化减低成本，保证产品的合格率。
附图说明
图1，现有的压接式绝缘型电力半导体模块的内部结构图；
图2，现有压接式绝缘型电力半导体模块的底下部分结构图；
图3，本发明压接式绝缘型电力半导体模块的底下部分结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的模块尺寸对本发明的实施例作详细的说明。
结合图3所示，是本发明制造的模块底下部分结构图，该模块的底下部分包含有如下结构：从上到下依次排列的是共用电极1、无氧铜层3、DCB陶瓷片2、无氧铜层3和铜底板4。
具体实施方式如下：首先确定所要装配的电力半导体芯片的直径D3（单位mm），然后进行对DCB陶瓷片2的设计和加工，设DCB陶瓷片2的直径为D1（单位mm），无氧铜层3的直径为D2（单位mm）。具体实施时要求D1≥D3，D2=D1-3（单位mm），即DCB陶瓷片2的周边留够1.5mm的爬电和放电距离，以保证绝缘电压≥2500V，根据需要D2的尺寸是可以改变的，而DCB陶瓷片2各层的厚度都是标准化的,无须另行设计(特殊情况也可自行设计定做)。本实施例中的电力半导体模块采用目前常规的双晶闸管MTC250A模块，设计DCB陶瓷片2的具体尺寸为D1=35mm，D2=32mm；然后再将加工好的DCB陶瓷片2与共用电极1用焊接式模块的专用焊膏在260℃的温度下，用定位卡具焊接成一体；焊完后，清洗干净，在共用电极1的下表面未焊接的区域涂上硅凝胶，待其固化后，测其绝缘电压为2560V，是安全的绝缘电压，再按照现有压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法将电力半导体芯片与模块中共用电极以上的结构依次的进行两两结构的直接压接，即将电力半导体芯片与模块中的压板、蝶形弹簧、绝缘体、阴极压板依次的进行两两结构的直接压接；当共用电极以上部分都压接完成后，最后将加工好的DCB陶瓷片的下表面直接压接在模块的铜底板上，再对组装完成的模块进行一次整体性的灌封硅凝胶，再一次固化后，该模块即可待用。
本发明仅以上述双向晶闸管250A压接式绝缘型模块为实施例，利用本发明的方法可以生产出整流管、晶闸管、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT等各类电力半导体绝缘型模块。
本发明只是用DCB陶瓷片2替换常规用的绝缘陶瓷片5，并把它与共用电极1焊成一体，其它的结构无需作任何改动，增加了一道简单的焊接工序，焊接费用远远低于绝缘陶瓷片5碎裂增加的成本。
本发明基本上解决了绝缘问题，使绝缘电压的合格率由原来的95%左右提高到99%以上，这意味着大大提高了整个模块生产的成品率，又由于接触热阻的降低，使整个模块的结壳热阻减小，使整个模块的通态能力和热学性能得到提高。

Claims (6)

1.一种压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，采用DCB陶瓷片（2）作为绝缘陶瓷片，其特征是：包括如下步骤，
1）首先在DCB陶瓷片的上下两面都直接键合铜，形成无氧铜层（3）；2）然后在255～265℃的温度下用专用焊膏和定位卡具将加工好的DCB陶瓷片与共用电极（1）焊接成一体；焊完后，将其清洗干净，在共用电极下表面未焊接的区域涂上绝缘胶，待其固化后测量共用电极与DCB陶瓷片下表面之间的绝缘电压，若绝缘电压≥2500V，是安全的绝缘电压；3）再将电力半导体芯片与模块中的压板、蝶形弹簧、绝缘体、阴极压板依次的进行两两结构的直接压接；4）当共用电极以上部分都压接完成后，最后将加工好的DCB陶瓷片的下表面直接压接在模块的铜底板（4）上，再对组装完成的模块进行一次整体性的灌封绝缘胶，再一次固化后，该模块即可待用。
2.根据权利要求1所述的压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，其特征是：DCB陶瓷片（2）中的陶瓷是Al2O3和AlN。
3.根据权利要求1所述的压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，其特征是：所述的共用电极（1）是单一的电极。
4.根据权利要求1所述的压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，其特征是：所述的焊接的温度为260℃。
5.根据权利要求1所述的压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，其特征是：步骤2）和步骤4）中的绝缘胶是硅凝胶或者硅橡胶。
6.根据权利要求1所述的压接式绝缘型电力半导体模块的制造方法，其特征是：整个模块制造中只进行一次步骤4）中的灌封绝缘胶的工序，舍去步骤2）中涂绝缘胶的工序。
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