CN106898581A - 一种功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种功率器件。功率器件包括导电盖板、导电薄层、圆柱型印制电路板、n个功率器件芯片和导电基板；n个功率器件芯片与印刷电路板均位于导电基板上；每个功率器件芯片以圆周对称方式设置在导电基板上；每个功率器件芯片的控制端通过键合线连接印刷电路板的内部通路，印刷电路板的内部通路通过接口与外部电源相连；每个功率器件芯片的输入端电连接导电基板的上表面，输出端电连接所述导电薄层的下表面；导电薄层电连接导电盖板。采用本发明的功率器件，各芯片环境参数的一致性，改善了并联功率芯片电流的分布，改善了功率芯片受力不均衡的问题，并且可以实现双面散热，增加了功率器件的可靠性。

Description

一种功率器件
技术领域
本发明涉及电力半导体领域，特别是涉及一种功率器件。
背景技术
现代电力电子器件具有大功率、驱动简单和开关频率高的优势，输出功率较大的电子元器件称为功率器件，包括：大功率晶体管、晶闸管、双向晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等。例如功率器件绝缘栅极双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)为栅极电压型驱动器件，具有工作频率高、功率密度大、可靠性高、易于串联等优点，在交通牵引领域、工业变频器以及柔性直流输电领域等高压大功率场合得到了广泛的应用。
现有技术中，功率器件普遍采用模块结构，以功率器件IGBT为例，一个IGBT功率器件包含若干IGBT芯片。最初IGBT的封装形式为焊接式，即：将IGBT芯片通过焊接方式与导热不导电的基板连接，其余引出线利用键合线与外接口相连。这种焊接结构只能在导电电极的一面实现单面散热，导致IGBT芯片与散热器之间的热阻较高，散热效果不好，从而引起结温升高，影响功率器件IGBT的正常工作，并且焊接式封装结构采用了键合工艺，其内部连线过多，影响功率器件IGBT的可靠性。
针对上述单面散热的情况，从业者提出一种全压接式封装结构，即：将钼片和功率芯片等结构依次定位放置，然后压接而成。压接式封装结构能够实现双面散热，并且消除了键合线过多的影响。但是采用这种结构后，每一个功率芯片所受的压力会随温度和电流的变化而变化，芯片的位置、厚度差异，封装结构加工的不平整度，以及工作时结构内部各元件的热胀冷缩特性带来的差异也会使得各芯片所受压力值发生改变。功率芯片所受压力过大会使芯片产生机械损坏，压力过小则会使功率芯片的结温上升，影响功率器件的可靠性，因此压力的均衡对于功率芯片的正常工作至关重要。另外，由于封装结构为压接而成，在功率器件内部需要设置多个芯片定位装置，增加了功率器件制造的工序与成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率器件，以解决传统功率器件由于散热性能不好、芯片承受压力不均匀导致可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种功率器件，所述功率器件包括：导电盖板、导电薄层、印制电路板、n个功率器件芯片和导电基板，其中n为大于1的正整数；所述印刷电路板为圆柱型；
所述n个功率器件芯片与所述印刷电路板均位于所述导电基板上；
每个所述功率器件芯片下表面的几何中心均匀分布在以所述印刷电路板下表面几何中心为圆心、以设定长度为半径的圆周上，且每两个相邻芯片之间的距离相等；所述设定长度大于所述印刷电路板下表面的半径；
每个所述功率器件芯片的控制端通过键合线连接所述印刷电路板的内部通路，所述印刷电路板的内部通路通过接口与外部电源相连；
每个所述功率器件芯片的输入端电连接所述导电基板的上表面；
每个所述功率器件芯片的输出端电连接所述导电薄层的下表面；
所述导电薄层下表面的几何中心和所述导电基板上表面的几何中心均位于所述印刷电路板的中轴线上；
所述导电薄层电连接所述导电盖板，所述导电盖板下表面的几何中心与所述导电薄层上表面的几何中心重合。
可选的，所述功率器件还包括：
n个导电凸台，每个所述功率器件芯片上表面设置有一个导电凸台，每个所述功率器件芯片的输出端通过一个所述导电凸台电连接所述导电薄层。
可选的，所述功率器件还包括：
侧壁，所述侧壁将所述功率器件的侧面包裹，所述侧壁的上边缘与所述导电盖板连接，所述侧壁的下边缘与所述导电基板连接；所述侧壁为所述印制电路板提供外部连接端子。
可选的，所述侧壁为刚性外壳，内部填充介质。
可选的，所述印刷电路板内部包含至少一个功率器件芯片控制端驱动信号路径。
可选的，所述导电薄层上表面有n个水平方向贯通的凹槽；所述n个凹槽以所述导电薄层上表面几何中心为起点，延伸至所述导电薄层边缘；所述凹槽位于相邻两个所述功率器件芯片的中心连线的中垂线上。
可选的，所述功率器件的元件之间的连接均采用烧结技术连接，所述元件包括所述导电盖板、导电薄层、印制电路板、n个功率器件芯片和导电基板。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的功率器件芯片以圆周对称分布，保证了驱动信号以及各芯片环境参数的一致性，改善了功率芯片受力不均衡的问题；将导电基板作为功率器件封装的下端盖以及功率器件封装的输入端电极和散热面，导电盖板作为功率器件封装的上端盖以及功率器件封装的输出端电极和散热面，提供了双面散热接口，并且省去了焊接式封装结构中的绝大部分键合线，整体结构更加简单紧凑，增加了功率器件的可靠性。
在部分具体实施例中，采用的烧结技术降低了接触热阻与封装器件的整体热阻，各元件连接更紧密，提高了封装器件的功率密度。导电薄层上表面的凹槽作为导电薄层的薄弱处为功率芯片的热胀冷缩提供了缓冲环节，保护了功率芯片表面的微敏感结构，改善了芯片工作的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明功率器件的正视图；
图2为本发明功率器件的部分结构俯视图；
图3为本发明功率器件的导电薄层结构俯视图；
图4为本发明功率器件的俯视透视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明功率器件的正视图。如图1所示，功率器件包括：导电盖板1、导电薄层2、印制电路板3、多个功率器件芯片4、导电基板5和多个导电凸台6。将功率器件芯片的个数设置为n个，则n个功率器件芯片4和印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)3均位于导电基板5上。PCB板3为圆柱型，n个功率器件芯片4以圆周对称分布，即功率器件芯片4的下表面的几何中心均匀分布在以PCB板3下表面几何中心为圆心、以设定长度为半径的圆周上，其中设定长度需满足大于PCB板3的下表面半径长度。
每个功率器件芯片4的控制端通过键合线连接PCB板3的内部通路，PCB板3的内部通路通过接口与外部电源相连。每个功率器件芯片4的输入端电连接导电基板5的上表面，功率器件芯片4的输出端电连接导电薄层2的下表面，导电薄层2电连接导电盖板1，当俯视功率器件时，导电盖板1、导电薄层2、PCB板3和导电基板5的中心重合，这样能够使n个功率器件芯片4均匀对称的分布在功率器件内部。
作为具体的实施例，功率器件芯片4可以通过导电凸台6电连接至导电薄层2，每个功率器件芯片4上表面上均设置一个导电凸台与功率器件芯片4的输出端连接。
本发明的功率器件中，导电基板5作为功率器件封装的下端盖以及功率器件封装的输入端电极和散热面；导电盖板1作为功率器件封装的上端盖以及功率器件封装的输出端电极和散热面，实现了双面散热。
导电薄层2作为缓冲层，为功率器件芯片4的热胀冷缩提供缓冲功能，保护了功率芯片表面的微敏感结构，改善了芯片工作的一致性。作为具体的实施例，导电薄层2可以包括水平方向(半径方向)贯通，纵向不贯通的凹槽9，每个凹槽9以导电薄层2上表面几何中心为起点，延伸至导电薄层2边缘。凹槽9位于相邻两个功率器件芯片4的中心连线的中垂线上，具体参见图3，图3为本发明功率器件的导电薄层结构俯视图。每个凹槽9长度可变，也可以为距离导电薄层上表面几何中心一段距离处为起点开始延伸。凹槽的设计使得导电薄层缓冲效果更佳。
本发明功率器件是指进行功率处理的，具有处理高电压、大电流能力的半导体器件。例如包括：
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)；则功率器件芯片的控制端即为门极，输入端即为集电极，输出端即为发射极。
集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)；则功率器件芯片的控制端即为门极，输入端即为阳极，输出端即为阴极
金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，则功率器件芯片的控制端即为栅极，输入端一般为漏极，输出端为源极。
作为一种具体的实施例，本发明的功率器件的元件连接部分均采用烧结技术连接。采用的烧结技术降低了接触热阻与封装器件的整体热阻，各元件连接更紧密，提高了封装器件的功率密度。
本发明的功率器件还可以使用侧壁将功率器件的侧面包裹，侧壁的上边缘与导电盖板1连接，所述侧壁的下边缘与所述导电基板5连接，侧壁可以采用刚性材料制成刚性外壳，内部填充介质。侧壁为PCB板提供外部连接端子。
本发明功率器件中各元件连接部分采用烧结技术连接，结合了焊接与压接的优点，提供了双面散热接口，无需对封装结构施加很大的外力，极大改善了功率芯片受力不均衡带来的问题，所述封装器件省去了焊接式封装结构中的绝大部分键合线，整体结构更加简单紧凑，增加了功率器件的可靠性；所述功率器件芯片以圆周对称分布，所述驱动电路位于所述圆周的中间位置，保证了驱动信号以及各芯片环境参数的一致性，改善了并联功率芯片电流的分布；导电薄层上表面的凹槽作为导电薄层的薄弱处为功率芯片的热胀冷缩提供了缓冲环节，保护了功率芯片表面的微敏感结构，改善了芯片工作的一致性。
本发明的功率器件制造工艺与传统流程也有不同，传统工艺的主要流程如下：
1)焊接式：芯片生产——贴片(把芯片焊接在底板上)——焊线(在芯片表面焊接引线)——填充绝缘介质——封装外壳。
2)压接式：芯片生产——定位与组装(把芯片安置在封装结构的指定位置，并安装连接导体)——封装外壳
本发明工艺流程：
芯片生产——烧结(把芯片与底板和各连接导体烧结成一体)——填充绝缘介质——封装外壳。
在封装中使用烧结技术，既保证了双面散热，无焊接线的特点；又能保证充分良好的电气接触与热接触，不需要从外部施加很大压力，从而改善压力不均匀问题。
图2为本发明功率器件的部分结构俯视图。如图所示功率器件芯片4以圆周对称方式布置在导电基板5上。PCB板3内部包含至少一个功率器件芯片控制极(门极)驱动信号路径，PCB板3包括导电层和绝缘层；导电层设置于绝缘层的内部，导电层在功率器件芯片4门极引出端子对应的位置暴露于绝缘层外部，PCB板通过键合线7与功率器件芯片的门极相连；PCB板3通过接口8与外部电源相连。
图4为本发明功率器件的俯视透视图。如图4所示，功率器件芯片4的数量与凹槽9的数量相同，凹槽与芯片对称布置，每个芯片布置在每两个相邻的凹槽中间。凹槽中线401为两相邻芯片外侧距离凹槽最近顶点连线402的中垂线，也是两个相邻芯片中心连线的中垂线。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种功率器件，其特征在于，所述功率器件包括：导电盖板、导电薄层、印制电路板、n个功率器件芯片和导电基板，其中n为大于1的正整数；所述印刷电路板为圆柱型；
所述n个功率器件芯片与所述印刷电路板均位于所述导电基板上；
每个所述功率器件芯片下表面的几何中心均匀分布在以所述印刷电路板下表面几何中心为圆心、以设定长度为半径的圆周上，且每两个相邻芯片之间的距离相等；所述设定长度大于所述印刷电路板下表面的半径；
每个所述功率器件芯片的控制端通过键合线连接所述印刷电路板的内部通路，所述印刷电路板的内部通路通过接口与外部电源相连；
每个所述功率器件芯片的输入端电连接所述导电基板的上表面；
每个所述功率器件芯片的输出端电连接所述导电薄层的下表面；
所述导电薄层下表面的几何中心和所述导电基板上表面的几何中心均位于所述印刷电路板的中轴线上；
所述导电薄层电连接所述导电盖板，所述导电盖板下表面的几何中心与所述导电薄层上表面的几何中心重合。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括：
n个导电凸台，每个所述功率器件芯片上表面设置有一个导电凸台，每个所述功率器件芯片的输出端通过一个所述导电凸台电连接所述导电薄层。
3.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括：
侧壁，所述侧壁将所述功率器件的侧面包裹，所述侧壁的上边缘与所述导电盖板连接，所述侧壁的下边缘与所述导电基板连接；所述侧壁为所述印制电路板提供外部连接端子。
4.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述侧壁为刚性外壳，内部填充介质。
5.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述印刷电路板内部包含至少一个功率器件芯片控制端驱动信号路径。
6.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述导电薄层上表面有n个水平方向贯通的凹槽；所述n个凹槽以所述导电薄层上表面几何中心为起点，延伸至所述导电薄层边缘；所述凹槽位于相邻两个所述功率器件芯片的中心连线的中垂线上。
7.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件的元件之间的连接均采用烧结技术连接，所述元件包括所述导电盖板、导电薄层、印制电路板、n个功率器件芯片和导电基板。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103680979A (zh) * 2012-09-26 2014-03-26 造能科技有限公司 光伏封装结构
CN105374806A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 国网智能电网研究院 一种圆形分组布局的压接式功率器件封装
CN106997871A (zh) * 2016-12-23 2017-08-01 杨杰 一种功率模块的封装结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103680979A (zh) * 2012-09-26 2014-03-26 造能科技有限公司 光伏封装结构
CN105374806A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 国网智能电网研究院 一种圆形分组布局的压接式功率器件封装
CN106997871A (zh) * 2016-12-23 2017-08-01 杨杰 一种功率模块的封装结构

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