CN103515365B - 一种大功率压接式igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率压接式IGBT器件。IGBT器件为圆柱体或矩形体，所述IGBT器件包括管壳以及设置在管壳上下两端的两个功率电极，上功率电极为平板结构，下功率电极其中一面分布凸台阵列。器件内部在每个凸台上会设置子模组，子模组分为IGBT子模组和FWD子模组两类。IGBT和FWD子模组均包括功率芯片、多片金属垫片和绝缘框架；功率芯片包括IGBT芯片和FWD芯片两组。子模组中的IGBT芯片和FWD芯片均为厚度100-1000微米的矩形硅片。压接IGBT器件内部无任何焊点。在实际应用时，依靠器件外部施加的数十牛压力实现芯片和上下功率电极的良好连接，提高了器件可靠性，降低了工艺复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率器件，具体讲涉及一种大功率压接式IGBT器件。
背景技术
目前发展最为迅猛的电力电子器件绝缘栅双极晶体管IGBT广泛应用于新能源、输变电、轨道交通、冶金、化工等领域。与传统的焊接模块式IGBT器件比，压接式IGBT除具有无焊点、双边冷却、高可靠性等优点外，在发生故障时失效形式为短路，在串联应用时并不会因为个别器件的失效而引起整个装置的运行中断，因此非常适合于有高耐压要求的电力系统应用。现有压接IGBT器件子模组部件不能通用，且IGBT与FWD芯片的布局并不能使电流路径最优化，从而影响器件整体性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种大功率压接式IGBT器件封装结构，该IGBT器件封装结构外观由上下两个功率电极及侧面的陶瓷管壳组成，内部为多个包含功率芯片的子模组，每一个子模组内包含一片功率芯片。随整个器件电流等级的不同，压接IGBT内部并联有数片至数十片功率芯片，即包含数个至数十个子模组。本发明提高了器件可靠性，降低了工艺复杂度。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种大功率压接式IGBT器件，所述IGBT器件包括管壳以及设置在管壳两端的两个功率电极，其改进之处在于，其中一个功率电极分布凸台阵列，在每个凸台上设置子模组；
当子模组为IGBT芯片子模组时，IGBT芯片子模组一面引出电极包括发射极和栅极，另一面引出电极包括集电极；
当子模组为FWD芯片子模组时，FWD芯片子模组一面引出电极包括阳极，另一面引出电极包括阴极。
进一步地，所述子模组分为IGBT芯片子模组和FWD芯片子模组，均包括绝缘框架、至少两个金属垫片和功率芯片；其中一个金属垫片、功率芯片和另外的金属垫片从上到下依次安装在绝缘框架内；
所述功率芯片包含IGBT芯片以及与其反并联的续流二极管FWD芯片；
所述IGBT芯片和FWD芯片均为厚度100-1000微米的矩形硅片。
进一步地，当为IGBT芯片子模组时对应的功率芯片为IGBT芯片，当为FWD芯片子模组时对应的功率芯片为FWD芯片。
进一步地，所述绝缘框架横切面为正方形，在绝缘框架内部正方形边缘一角自上而下贯穿一个圆柱形的孔，该孔对于IGBT芯片子模组将放置栅极触点，对于FWD芯片子模组将保持中空；
所述绝缘框架外部正方体边沿每一面均分布两个突起的条形柱，将外部正方体每个面均分为四等分，该条形柱约束功率芯片在子模组内，两个条形柱的分布使相邻两个子模组在组装过程中任意方向啮合。
进一步地，在压接IGBT芯子模组时，在所述绝缘框架下方围绕凸台下部放置栅极定位框架；所述栅极定位框架的横切面为正方形且边缘一角自上而下贯穿一个圆柱形的栅极定位孔，栅极触点下部封装于该孔中，栅极触点上部伸入IGBT芯片绝缘框架中与IGBT芯片栅极焊盘接触，形成电连接。
进一步地，所述栅极定位框架上的圆柱形的栅极定位孔与IGBT芯片绝缘框架上的圆柱形的孔相互吻合；
栅极定位孔中放置有栅极触点，栅极触点上部与IGBT芯片的栅极焊盘接触，其下部与导入IGBT芯片的栅极印制电路板接触。
进一步地，所述凸台包括IGBT芯片子模组凸台和FWD芯片子模组凸台，IGBT子模组凸台全部位于凸台阵列的外围边沿，且IGBT子模组凸台栅极一角设有一圆弧形空缺，所述圆弧空缺朝外，相邻IGBT子模组凸台栅极缺口一角两两相向；
所述IGBT子模组凸台之间凹槽比FWD子模组凸台之间凹槽深。
进一步地，所述FWD芯片子模组凸台采用整体凸台，FWD芯片子模组凸台集中于凸台阵列中心区域排布，形成连通的整体凸台；FWD芯片子模组凸台间设有凹槽以定位绝缘框架。
进一步地，IGBT芯片栅极电流导入IGBT芯片通过印制电路板方式实现；
所述印制电路板嵌在子模组凸台的凹槽之间，在印制电路板表面覆有一层金或铜金属组成的导电层；在导电层上与每一个IGBT芯片栅极触点接触点附近，均放置一个电阻，栅极电流经所述电阻后进入栅极触点；印制电路板导电层与穿过管壳的栅极引针连接。
进一步地，所述IGBT器件的底座下表面边缘焊接有辅助发射极的电极引针；所述管壳为陶瓷材料的管壳。
进一步地，IGBT芯片栅极电流导入IGBT芯片或通过软连线方式实现；对于每个IGBT芯片栅极触点，采用一根软连线与穿过管壳的栅极引针相连，所有的软连线长度均一致，且全部围绕凸台阵列外围管壳内壁分布；在引入IGBT芯片子模组前，在软连线中接入电阻。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的大功率压接式IGBT器件，IGBT与FWD芯片子模组的绝缘框架兼容，高度减小，减少了组件的种类及用料消耗。子模组外侧四周凸起的条形柱可用于相互啮合定位，减少模组的偏移。此外，四周条柱的分布一致使其任意朝向都可和相邻子模组啮合，提高了子模组排布的灵活性。
2、对于FWD芯片子模组，整体凸台减小了FWD导通时器件的寄生电阻和电感，改善了器件的电气特性。此外，整体凸台增强了并联FWD芯片之间的热耦合，当故障状态下某一芯片高温烧毁，器件整体呈短路状态，此时邻近芯片受烧毁芯片的影响温度同步上升至烧毁短路，电流导通总的截面积增大了，从而减小了导通电阻，有利于降低损耗，提高器件导通工作特性。
3、在每一个IGBT芯片栅极电流路径均设置了一个电阻，该电阻将有效抑制由于IGBT芯片及封装结构中寄生参数引起的高频振荡，减小器件内部的电磁干扰和损耗，同时该电阻可改善并联IGBT芯片在开关过程中的电流均匀分布，避免部分IGBT芯片因承受过大电流引起的烧毁。
4、IGBT芯片栅极电流导入采用印制电路板，减小了栅极电流路径的寄生参数，同时可作为栅极触点与底部电极的绝缘隔离，简化了器件整体结构。
5、所有IGBT芯片栅极一角均处于凸台阵列的四周边沿而非阵列内侧，从而避免了栅极控制电流处于功率电流的中心区域，极大地降低了实际工作中的功率电流产生的交变电磁场对栅极控制的影响，提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的IGBT芯片表面焊盘分布；
图2是本发明提供的子模组绝缘框架结构图；
图3是本发明提供的子模组组装结构图；
图4是本发明提供的栅极定位框架结构图；
图5是本发明提供的压接IGBT器件内部结构俯视图；
图6是本发明提供的FWD整体凸台示意图；
其中：1-栅极，2-发射极，3-条形柱，4-栅极定位孔I，5-绝缘框架，6-金属垫片，7-IGBT或FWD芯片，8-栅极定位孔II，9-IGBT凸台，10-FWD凸台，11-栅极印制电路板，12-栅极引针，13-发射极引针，14-FWD整体凸台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种大功率压接式IGBT器件，压接IGBT器件外观由两个功率电极及侧面的陶瓷管壳组成，所述两个功率电极分别设置在管壳的两端。两个功率电极内部为多个包含功率芯片的子模组，每一个子模组内包含一片功率芯片。随整个器件电流等级的不同，压接IGBT器件内部并联有数片至数十片功率芯片，即包含数个至数十个子模组。压接IGBT器件内部的功率芯片包含IGBT芯片以及与之反并联的续流二极管FWD芯片两种。通常情况下，IGBT芯片和FWD芯片均为厚度数百微米的矩形薄硅片。IGBT芯片有三个电极，正面为发射极2和栅极1，反面为集电极，IGBT芯片表面焊盘分布如图1所示。FWD芯片有两个电极，正面为阳极，反面为阴极。压接IGBT器件内部为实现芯片的定位，在其中一个功率电极分布多个凸台，每一个凸台与一个子模组嵌套。每个子模组由功率芯片以及多层金属垫片层叠组装于一个绝缘框架5而成，IGBT和FWD芯片由于电极数量的不同，因此必须采用两种绝缘框架，其中用于IGBT的绝缘框架中还留有栅极探针的定位孔。栅极定位孔中放置有栅极触点，上部与IGBT芯片的栅极焊盘接触，下部与导入栅极的印制电路板接触。在实际封装过程中，子模组放置于有凸台的功率电极上，与该电极一体的管壳顶部与另一功率电极边缘采用压焊的方式连接成一体，而器件内部无任何焊点。在实际应用时，依靠器件外部施加的数十牛压力实现芯片和上下功率电极的良好连接，提高了器件可靠性，降低了工艺复杂度。
本发明提供的压接式IGBT器件子模组中的绝缘框架5兼容IGBT芯片和FWD芯片，具体实施如图2所示。绝缘框架的横切面为正方形，在绝缘框架5内部正方形边缘的一角，自上而下贯通了一个圆柱形的孔，为4-栅极定位孔I，该孔对于IGBT芯片子模组将放置栅极触点，对于FWD芯片子模组将保持中空。该框架外部边沿每一面均分布两个突起的条形柱3，将每个面均分为四等分，该条形柱3可约束芯片在子模组内，两个条形柱3的分布使相邻两个子模组在组装过程中可任意方向啮合。对于该绝缘框架5，不需保留IGBT栅极触点的空间，因此框架整体高度将极大减小，仅需组装功率芯片及上下金属垫片即可。子模组的组装结构如图3所示，包括绝缘框架5、两个金属垫片6和功率芯片；其中一个金属垫片、功率芯片和另一个金属垫片从上到下依次压接到绝缘框架内；功率芯片为IGBT或FWD芯片7。
对于IGBT芯片子模组，为定位栅极触点，在上述绝缘框架5下方围绕凸台下部放置一个内边沿为正方形，且一角有一个圆柱形贯穿孔（8-栅极定位孔II）的栅极定位框架，栅极触点下部组装于该贯穿孔中，触点上部伸入IGBT芯片绝缘框架中与栅极焊盘接触，形成电连接。栅极定位框架具体实施如图4所示。
在整个器件中，与IGBT子模组对应的凸台9全部位于阵列的外围边沿，且凸台9栅极一角圆弧形空缺朝外，相邻凸台9栅极缺口一角两两相向。为放置栅极触点定位框架，IGBT子模组凸台9间凹槽比FWD子模组凸台10之间凹槽深。
本发明功率电极对于并联FWD子模组采用整体凸台14，表面仅留有放入绝缘框架的浅槽，具体实施如图5、图6所示。在实际布局中，FWD芯片子模组集中于凸台阵列中心区域排布，从而形成一个连通的整体凸台14。由于上述FWD绝缘框架的高度减小，与FWD芯片子模组对应的凸台10凹槽深度仅需能放置绝缘框架即可。
本发明中IGBT栅极电流导入IGBT芯片有栅极印制电路板11和软连线两种方式。采用栅极印制电路板11方式的具体实施如图5所示。印制电路板嵌在IGBT子模组对应的凸台凹槽之间，在印制电路板表面覆有一层金或铜金属组成的导电层。在导电层上与每一个栅极触点接触点附近，均放置一个电阻，栅极电流经此电阻后进入栅极触点。印制电路板金属层与穿过陶瓷管壳的栅极引针12连接。此外，底座下表面边缘焊接有一个辅助发射极引针13。
除上述印制电路板实现栅极接触的方式外，还可以用软连线实现栅极引针与栅极触点的连接。对于每一个IGBT栅极触点，分别采用一根软连线与管壳上的栅极引针相连，所有的软连线长度均一致，且全部围绕凸台阵列外围管壳内壁分布。在引入IGBT子模组前，在软连线中接入一个电阻。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种大功率压接式IGBT器件，所述IGBT器件包括管壳以及设置在管壳两端的两个功率电极，其特征在于，其中一个功率电极分布凸台阵列，在每个凸台上设置子模组；
当子模组为IGBT芯片子模组时，IGBT芯片子模组一面引出电极包括发射极和栅极，另一面引出电极包括集电极；
当子模组为FWD芯片子模组时，FWD芯片子模组一面引出电极包括阳极，另一面引出电极包括阴极；
IGBT芯片子模组中对应的功率芯片为IGBT芯片，FWD芯片子模组中对应的功率芯片为FWD芯片；
所述子模组分为IGBT芯片子模组和FWD芯片子模组，均包括绝缘框架、至少两个金属垫片和功率芯片；其中一个金属垫片、功率芯片和另外的金属垫片从上到下依次安装在绝缘框架内；
所述功率芯片包含IGBT芯片以及与其反并联的续流二极管FWD芯片；
所述IGBT芯片和FWD芯片均为厚度100-1000微米的矩形硅片；
所述绝缘框架横切面为正方形，在绝缘框架内部正方形边缘一角自上而下贯穿一个圆柱形的孔，该孔对于IGBT芯片子模组将放置栅极触点，对于FWD芯片子模组将保持中空；
所述绝缘框架外部正方体边沿每一面均分布两个突起的条形柱，将外部正方体每个面均分为四等分，该条形柱约束功率芯片在子模组内，两个条形柱的分布使相邻两个子模组在组装过程中任意方向啮合；
在压接IGBT芯子模组时，在所述绝缘框架下方围绕凸台下部放置栅极定位框架；所述栅极定位框架的横切面为正方形且边缘一角自上而下贯穿一个圆柱形的栅极定位孔，栅极触点下部封装于该孔中，栅极触点上部伸入IGBT芯片绝缘框架中与IGBT芯片栅极焊盘接触，形成电连接；
所述栅极定位框架上的圆柱形的栅极定位孔与IGBT芯片绝缘框架上的圆柱形的孔相互吻合；
栅极定位孔中放置有栅极触点，栅极触点上部与IGBT芯片的栅极焊盘接触，其下部与导入IGBT芯片的栅极印制电路板接触。
2.如权利要求1所述的大功率压接式IGBT器件，其特征在于，所述凸台包括IGBT芯片子模组凸台和FWD芯片子模组凸台，IGBT子模组凸台全部位于凸台阵列的外围边沿，且IGBT子模组凸台栅极一角设有一圆弧形空缺，所述圆弧空缺朝外，相邻IGBT子模组凸台栅极缺口一角两两相向；
所述IGBT子模组凸台之间凹槽比FWD子模组凸台之间凹槽深。
3.如权利要求2所述的大功率压接式IGBT器件，其特征在于，所述FWD芯片子模组凸台采用整体凸台，FWD芯片子模组凸台集中于凸台阵列中心区域排布，形成连通的整体凸台；FWD芯片子模组凸台间设有凹槽以定位绝缘框架。
4.如权利要求2所述的大功率压接式IGBT器件，其特征在于，IGBT芯片栅极电流导入IGBT芯片通过印制电路板方式实现；
所述印制电路板嵌在子模组凸台的凹槽之间，在印制电路板表面覆有一层金或铜金属组成的导电层；在导电层上与每一个IGBT芯片栅极触点接触点附近，均放置一个电阻，栅极电流经所述电阻后进入栅极触点；印制电路板导电层与穿过管壳的栅极引针连接。
5.如权利要求4所述的大功率压接式IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件的底座下表面边缘焊接有辅助发射极的电极引针；所述管壳为陶瓷材料的管壳。
6.如权利要求2所述的大功率压接式IGBT器件，其特征在于，IGBT芯片栅极电流导入IGBT芯片或通过软连线方式实现；对于每个IGBT芯片栅极触点，采用一根软连线与穿过管壳的栅极引针相连，所有的软连线长度均一致，且全部围绕凸台阵列外围管壳内壁分布；在引入IGBT芯片子模组前，在软连线中接入电阻。
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