CN104282636A - 一种使用热管的压接式igbt封装结构 - Google Patents

一种使用热管的压接式igbt封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用热管的压接式IGBT封装结构，由外壳和位于外壳内部的多个子单元结构组成，多个子单元并行设置；所述子单元结构包括上端盖、导电铜片、碟簧组、热管、底座、银片、钼片、芯片和下端盖；所述下端盖、芯片、钼片、银片和底座从下往上依次设置，所述热管上端插入上端盖、穿过碟簧组，其下端插入底座；所述导电铜片上端位于上端盖和碟簧组之间，其下端位于碟簧组和底座之间。本发明中芯片可被有效保护，同时由于使用了热管，功能上实现了双面散热，整体热阻较小；热管的引入，使得虽然单面硬接触，但散热路径依然很好，兼顾了芯片保护和较小的热阻。整体结构具有实现压接式IGBT短路失效、高可靠性等优点。

Description

一种使用热管的压接式IGBT封装结构
技术领域
本发明涉及一种封装结构，具体涉及一种使用热管的压接式IGBT封装结构。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有通态压降低、电流容量大、输入阻抗高、响应速度快和控制简单的特点，被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。压接式IGBT具有较高的可靠性，便于串联，并且在器件损坏时表现出短路失效模式，因此其被广泛应用在智能电网等领域。
温度对器件性能的影响至关重要，高温不仅会影响器件的电学特性，更会严重影响其疲劳寿命。在器件运行过程中温度会影响芯片内部的热应力，这可能会导致芯片的损坏，已有多项研究证明电子器件的疲劳寿命随温度的升高呈指数下降，在器件设计过程中就必须同时考虑热设计。
现有的两种主流压接式IGBT分别是ABB公司和WESTCODE公司的产品，其内部结构分别参见专利CN1596472A和US6678163B1。
公开号为CN1596472A的发明专利公开了一种大功率半导体模块，其结构中芯片下侧面与基板烧结在一起，另一侧为压接结构，并最终通过碟簧结构与上端盖接触，碟簧结构的使用使得器件拥有保护芯片的优点，即在压装力过大时多余的压力会由器件的外壳承担，芯片所受力只与碟簧可被压缩长度有关，但也正因为碟簧的存在，使得芯片上侧面的导热能力很差，热量基本上只能通过下侧面导出，整体热阻较大。
公开号为US6678163B1的专利的结构中，芯片上下侧两面均为压接结构，直至上下端盖，这种结构的优点是器件可以实现双面散热，芯片上下两面有近乎相等的热量导出，器件的整体热阻较小，但是也正因为竖直方向上全部为硬压接结构，器件进行压装时芯片承受所有压装力，在压装力过大时芯片所受力亦同等增大，因此芯片就可能因为过大的压力而被机械破坏。
通过以上分析，可知两家公司的产品各有优点，但也各有缺点，芯片保护与导热无法兼顾。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种使用热管的压接式IGBT封装结构，该封装结构整体结构简单紧凑，且能够兼顾芯片保护，具有较好散热路径，实现压接式IGBT短路失效、高可靠性等。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种使用热管的压接式IGBT封装结构，所述封装结构由外壳和位于外壳内部的多个子单元结构组成，多个子单元并行设置；所述子单元结构包括上端盖、导电铜片、碟簧组、热管、底座、银片、钼片、芯片和下端盖；所述下端盖、芯片、钼片、银片和底座从下往上依次设置，所述热管上端插入上端盖、穿过碟簧组，其下端插入底座；所述导电铜片上端位于上端盖和碟簧组之间，其下端位于碟簧组和底座之间。
所述热管两端封闭，其内部有导热工质，所述导热工质为水或甲醇，用于传输芯片所发出的热量；所述热管的工作温度范围为-40℃～200℃。
所述上端盖采用铜质材料制成，厚度为3.0～6.0mm。
所述上端盖对应插热管的位置设有孔，热管与孔之间的间隙中填充导热脂。
所述导电铜片的截面为矩形，其厚度为0.5～1.0mm，该截面的面积由所导过的电流决定；导电铜片的侧面为多边形或弧形，在压力作用下自由地被压缩。
所述碟簧组由至少一对反向堆叠的碟簧组合而成，其压缩行程范围宜在其最大压缩行程的30％～75％之间。
所述底座采用铜质材料制成，其厚度为2.0～4.0mm。
所述银片和钼片的形状与芯片形状相对应。
所述银片的厚度为0.1～0.5mm，钼片的厚度为1.5～3.0mm。
所述下端盖采用钼片，厚度为1.5～5.0mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.整体结构可以实现压接式IGBT短路失效、高可靠性等优点；
2.芯片可被有效保护，同时由于使用了热管，使得虽然单面硬接触，但散热路径依然很好，功能上实现了双面散热，整体热阻较小，从而实现了兼顾芯片保护和较小的热阻。
附图说明
图1是本发明实施例1中使用热管的压接式IGBT封装结构示意图；
图2是本发明实施例1中图1中结构的A-A剖视图(未含碟簧)；
图3是本发明实施例1中使用热管的压接式IGBT封装结构爆炸图；
图4是本发明实施例1中导电铜片结构1示意图；
图5是本发明实施例1中导电铜片结构2示意图；
图6是本发明实施例2中使用热管的压接式IGBT封装结构示意图；
图7是本发明实施例2中图6中结构的B-B剖视图；
图8是本发明实施例3中使用热管的压接式IGBT封装结构示意图(未含导电铜片)；
图9是本发明实施例3中图8中结构的C-C剖视图(未含碟簧)；
图10是本发明实施例中使用热管的压接式IGBT封装结构整体示意图；
其中，1-上端盖，2-导电铜片，3-碟簧组，4-底座，5-银片，6-钼片，7-下端盖，8-芯片，9-热管，10-导热脂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种使用热管的压接式IGBT封装结构，所述封装结构由外壳和位于外壳内部的多个子单元结构组成，多个子单元并行设置；所述子单元结构包括上端盖1、导电铜片2、碟簧组3、热管、底座4、银片5、钼片6、芯片8和下端盖7；所述下端盖7、芯片8、钼片6、银片5和底座4从下往上依次设置，所述热管上端插入上端盖1、穿过碟簧组3，其下端插入底座4；所述导电铜片2上端位于上端盖1和碟簧组3之间，其下端位于碟簧组3和底座4之间。
所述热管两端封闭，其内部有导热工质，所述导热工质为水或甲醇，用于传输芯片8所发出的热量；所述热管的工作温度范围为-40℃～200℃。
所述上端盖1采用铜质材料制成，厚度为3.0～6.0mm。
所述上端盖1对应插热管的位置设有孔，热管与孔之间的间隙中填充导热脂10。
所述导电铜片2的截面为矩形，其厚度为0.5～1.0mm，该截面的面积由所导过的电流决定；导电铜片2的侧面为多边形或弧形，在压力作用下自由地被压缩。
所述碟簧组3由至少一对反向堆叠的碟簧组3合而成，其压缩行程范围宜在其最大压缩行程的30％～75％之间。
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性：
1、很高的导热性；
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。
2、优良的等温性；
热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
所述底座4采用铜质材料制成，其厚度为2.0～4.0mm。
所述银片5和钼片的形状与芯片8形状相对应。
所述银片5的厚度为0.1～0.5mm，钼片6的厚度为1.5～3.0mm。
所述下端盖7采用钼片6，厚度为1.5～5.0mm。
实施例1
器件内部有多个子单元，一个子单元整体为叠层结构，其内部有一个或多个芯片8。子单元外围由管壳保护起来，未工作状态下，子单元的上端面比管壳的上端面略高，典型值为2～3mm。
如图1～5所示，IGBT封装结构从下至上分别是下端盖7、芯片8、上钼片6、银片5(或铝片)、底座4、导电铜片2(下端)、热管、碟簧组3、导电铜片2(上端)、上端盖1。
其中芯片8可与下端盖7直接压接，也可与下端盖7烧结，另外上端盖1对应热管的位置开有深孔，热管上端插入其中，其间间隙填充有一定量的高效导热脂10，可保证碟簧组3被压缩时热管与上端盖1之间有较好的导热路径。在工作时上端盖1被向下压缩，进而压缩碟簧，压力最终传至芯片8，使芯片8在一定压力下可以发挥其电学性能，从而实现设计压接式IGBT的最初目的，即短路失效模式、较好的可靠性等。
另外，在正常工作状态下，子单元上端面在散热器所施加的压力作用下下移，直至其上端面与管壳上端面齐平，当散热器向器件所施加压力过大时，多余的压力会由器件外壳来承担，这就是实现了对芯片8的保护机制，同时因为热管的使用，而热管拥有极佳的导热性能，这使得芯片8两侧都有很好的散热路径，可以近乎认为双面散热，即实现了芯片8保护与导热的兼顾。
实施例2
如图6和图7所示，下部结构与实施例1相同，区别在上端盖1与热管对应位置开有通孔，热管从其中穿出，然后散热器上对应位置开有一定深度的孔，其中填充有高效导热脂10，可以保证在工作状态下热管通过导热脂10与散热器之间有较好的导热路径。
实施例3
如图8和图9所示，在底座4底部开有数个凹槽，热管可以镶嵌其中，同时被压缩在底座4与上钼片6之间，从而保证热量可以从钼片6较好地传至热管，然后热管从底座4的两侧向上折弯，直至上端盖1对应的深孔中，同样深孔中填充有高效导热脂10。图中在底座4两侧均有热管，也可以只在一侧有。同样地类似实施例2，上端盖1也可以开有通孔，热管从其中穿出直至散热器上对应位置的深孔，深孔中填充有高效导热脂10。另外，底座4导杆也可以与前两个实施例一样是热管。
图10中一个芯片8的叠层结构对应一个上端盖，也可以几个叠层结构对应一个上端盖。
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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述封装结构由外壳和位于外壳内部的多个子单元结构组成，多个子单元并行设置；所述子单元结构包括上端盖、导电铜片、碟簧组、热管、底座、银片、钼片、芯片和下端盖；所述下端盖、芯片、钼片、银片和底座从下往上依次设置，所述热管上端插入上端盖、穿过碟簧组，其下端插入底座；所述导电铜片上端位于上端盖和碟簧组之间，其下端位于碟簧组和底座之间；
所述热管两端封闭，其内部有导热工质，所述导热工质为水或甲醇，用于传输芯片所发出的热量；所述热管的工作温度范围为-40℃～200℃。
2.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述上端盖采用铜质材料制成，厚度为3.0～6.0mm。
3.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述上端盖对应插热管的位置设有孔，热管与孔之间的间隙中填充导热脂。
4.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述导电铜片的截面为矩形，其厚度为0.5～1.0mm，该截面的面积由所导过的电流决定；导电铜片的侧面为多边形或弧形，在压力作用下自由地被压缩。
5.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述碟簧组由至少一对反向堆叠的碟簧组合而成，其压缩行程范围宜在其最大压缩行程的30％～75％之间。
6.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述底座采用铜质材料制成，其厚度为2.0～4.0mm。
7.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述银片和钼片的形状与芯片形状相对应。
8.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述银片的厚度为0.1～0.5mm，钼片的厚度为1.5～3.0mm。
9.根据权利要求1所述的使用热管的压接式IGBT封装结构，其特征在于：所述下端盖采用钼片，厚度为1.5～5.0mm。
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