CN107180800B - 一种半导体器件的压装装置及压装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件的压装装置，包括顶压组件、多个散热器及两组绝缘支撑板，两组所述绝缘支撑板平行且相对布置，沿绝缘支撑板的长度方向，多个所述散热器水平支撑于两组所述绝缘支撑板之间，位于底层的所述散热器通过紧固件固定于所述绝缘支撑板上；所述顶压组件位于两组所述绝缘支撑板之间，且作用于位于顶层的所述散热器上。本发明具有操作简便、压装可靠性高，且体积重量小的半导体器件的优点。

Description

一种半导体器件的压装装置及压装方法

技术领域

本发明涉及半导体器件装配领域，尤其涉及一种半导体器件的压装装置及压装方法。

背景技术

在电力电子领域，半导体器件组合应用是半导体器件应用的常用方式。在组合应用中，需要采用半导体器件的压装装置实现半导体器件加压。

现有的半导体器件的压装装置主要包括散热器、半导体器件、施力组件(含螺杆、绝缘套管)，传力组件(含传递垫块、钢珠及碟簧)、压板(含上、下压板)、绝缘垫块(含上、下绝缘垫块)及连接铜排(含上、下连接铜排)。压装操作过程为：1、先行将下压板与四根螺杆(螺杆一端拧上螺母)组装在一起，螺杆上套上绝缘套管；2、通过定位销定位，从下至上组装下绝缘垫块、散热器、半导体器件、上绝缘垫块、传力组件；3、装上压板，拧上螺杆另一端的螺母，完成组件的预装；4、调平上、下压板的间距，使其平行：5、通过估算得出需要在螺杆上施加的力矩值，通过力矩扳手缓慢地在上压板上的四颗螺母上轮流施加力矩值，达到设定值后即完成压装。其存在以下几个问题：

(1)操作复杂，维护不便。施力部件采用螺杆及压板的框架结构形式，在压装操作时，需要拧紧8颗甚至16颗螺母，实现框架结构组装及压力施加，同时，在压装施力前，需采用工装或人为测量来保持散热器的同面性、调整上、下压板的间距及平行度，操作复杂；且散热器与半导体器件重力叠加设置，不利于更换损坏的半导体器件，导致维修不便。

(2)压装可靠性低。通过上压板上方的四颗螺母的拧紧力给予上压板压力，并通过传力结构将压力传递给器件，实现其压装的要求，由于扳手施加于各个螺母的作用力很难保持一致，容易导致传递至器件的施加力不均，影响压装可靠性。

(3)重量及体积大、成本高。现有的压装装置基本采用金属件(钢和铝合金)构成，且采用上、下绝缘垫块、绝缘套管隔离电压，组件重量大；同时，为完成螺杆的安装，上、下压板的尺寸需大于散热器尺寸，导致组件尺寸偏大，结构复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简便、压装可靠性高，且体积重量小的半导体器件的压装装置及压装方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种半导体器件的压装装置，包括顶压组件、多个散热器及两组绝缘支撑板，两组所述绝缘支撑板平行且相对布置，沿绝缘支撑板的长度方向，多个所述散热器水平支撑于两组所述绝缘支撑板之间，位于底层的所述散热器通过紧固件固定于所述绝缘支撑板上；所述顶压组件位于两组所述绝缘支撑板之间，且作用于位于顶层的所述散热器上。

作为上述技术方案的进一步改进：

沿所述绝缘支撑板的长度方向，所述绝缘支撑板上设有多个垂向限位部，相邻所述垂向限位部的间距均相等，且小于所述半导体器件的高度，所述散热器的两端支撑于对应一侧所述垂向限位部上。

所述散热器的两端设有用于限制散热器水平位移的限位槽，所述散热器的两端分别通过限位槽卡设于对应一侧的所述绝缘支撑板上。

所述散热器与位于散热器上方的半导体器件的其中一个上设有定位销，另一个上设有与定位销配合的定位孔。

所述顶压组件包括压板、球头螺栓、碟簧导柱、碟簧及绝缘垫块，所述压板安装于两组所述绝缘支撑板之间，所述球头螺栓螺接于所述压板上，所述球头螺栓的一端设于所述碟簧导柱的上方，所述碟簧设于所述碟簧导柱与绝缘垫块之间，并在所述球头螺栓与碟簧导柱抵紧配合时呈压缩状。

所述顶压组件还包括用于检测顶压组件压装力的定位针，所述定位针安装于所述碟簧导柱上，并位于所述碟簧的一侧。

所述定位针为弹性件。

所述绝缘垫块上设有用于限制碟簧变形位移的定位槽，所述碟簧设置于所述定位槽的上方。

沿绝缘支撑板的长度方向，所述绝缘支撑板上设置有多个用于增加爬电距离的环形槽。

一种半导体器件的压装装置的压装方法，包括如下步骤：

步骤1)：将散热器水平支撑于两组绝缘支撑板之间，并固定位于底层的散热器；

步骤2)：将半导体器件逐个安装在相邻的两散热器之间；

步骤3)：将顶压组件安装于两组绝缘支撑板之间；

步骤4)：顶压组件施加压装力至设定值，接入连接铜排，完成压装。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过两组绝缘支撑板水平支撑散热器，且位于底层的散热器固定，构成压装装置的外框架，避免了采用多个螺母固定框架操作繁琐的问题；在组装过程中，散热器即处于水平状态保证散热器的同面性及间距控制，无需后续调整检测，操作快捷简便，散热器支撑设置，使半导体器件可单独拆装更换，易维护；

(2)本发明摒弃了传统的螺杆螺母施压结构，只需在器件顶端设置一顶压组件即可，避免了采用多个螺母施加作用力不易控制的问题，提高了压装可靠性；

(3)本发明以绝缘支撑板及散热器构成框架结构，省去了下压板、下绝缘垫块、螺杆、绝缘套管等部件，重量小，成本低，且其他部件均设于绝缘支撑板之间，装置体积小，结构简单。

本发明的半导体器件的压装方法，同样具有上述优点，并可快速组装。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明压装装置的外框架示意图。

图3是本发明顶压组件的结构示意图。

图4是本发明带扩展绝缘板的压装装置的结构示意图。

图5是本发明半导体器件压装装置的压装方法的流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

图中各标号表示：

1、绝缘支撑板；11、垂向限位部；12、环形槽；13、螺纹孔；2、散热器；21、限位槽；3、半导体器件；4、顶压组件；41、压板；42、球头螺栓；43、碟簧导柱；431、凹槽；44、碟簧；45、绝缘垫块；46、定位针；5、定位销；6、紧固件；7、上拓展绝缘板；8、下拓展绝缘板；9、连接铜排。

具体实施方式

下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

图1至图3示出了本发明半导体器件的压装装置的实施例，本发明的半导体器件的压装装置适用于压装平板式功率半导体器件。半导体器件的压装装置包括顶压组件4、多个散热器2及两组绝缘支撑板1，顶压组件4作用于位于顶层的散热器2上，用于提供半导体器件3的压装力，且可降低杂散电感；散热器2与半导体器件3交替叠加设置，用于散去工作中半导体器件3的热量使之稳定运行，散热器2材料为铝合金或铜合金；两组绝缘支撑板1平行且相对布置，绝缘支撑板1有效地避免了电能从半导体器件3传递给整个压装装置，以便保证相关设备和人员的安全，沿绝缘支撑板1的长度方向，多个所述散热器2水平支撑于两组所述绝缘支撑板1之间，位于底层的散热器2通过紧固件6固定于绝缘支撑板1上，紧固件6为绝缘材料制成，当需压装的半导体器件3尺寸较大、压力需求较大时，则可选择金属紧固件；顶压组件4位于两组绝缘支撑板1之间，且作用于位于顶层的散热器2上。

首先，本发明的散热器2水平支撑于绝缘支撑板1上，且位于底层的散热器2固定，构成压装装置的外框架，避免了采用多个螺母固定框架操作繁琐的问题，且在组装过程中，散热器2即可处于水平状态以保证散热器2的同面性及间距控制，无需后续调整检测，操作快捷简便，且散热器2支撑设置，使半导体器件3可单独拆装更换，易维护；其次，本发明摒弃了传统的螺杆螺母施压结构，只需在器件顶端设置一顶压组件4即可，避免了采用多个螺母施加作用力不易控制的问题，提高了压装可靠性；最后，本发明以绝缘支撑板1及散热器2构成框架结构，省去了下压板、下绝缘垫块、螺杆、绝缘套管等部件，重量小，成本低，且其他部件均设于绝缘支撑板1之间，装置体积小，结构简单。

本实施例中，沿绝缘支撑板1的长度方向，绝缘支撑板1上设有多个垂向限位部11，散热器2的两端支撑于对应一侧垂向限位部11上，形成压装框架的搭建，且避免了半导体器件3放入时需人力提起散热器2，操作简便，保证了人员安全；各相邻垂向限位部11的间距均相等，且各相邻垂向限位部11的间距小于半导体器件3的高度，在放入半导体器件3时，上端的散热器2被半导体器件3顶高，脱离垂向限位部11，在保证散热器2同面性的同时，方便半导体器件3的安装。本实施例中，垂向限位部11为限位凸台，在其他实施例中，只要能够实对散热器2垂向限位的限位结构形式均应在本发明的保护范围内，比如，采用限位槽21或增加额外的限位工装。

本实施例中，散热器2的两端设有限位槽21，限位槽21用于限制散热器2水平位移，散热器2的两端通过限位槽21卡设于对应一侧的绝缘支撑板1上。由于散热器2被水平限位，此时散热器2水平位置确定，可省略位于散热器2下部的定位销5，即只需利用与现有相比一半的定位销5即可保证半导体器件3中心定位，从而提升效率，降低了维护难度。

本实施例中，散热器2的上表面设有定位销5，半导体器件3的下表面设有定位孔，定位销5与定位孔配合，完成半导体器件3的对中安装，在其他实施例中，也可将定位销5设于设置在半导体器件3上，定位孔设置在散热器2上。

本实施例中，绝缘支撑板1的厚度根据半导体器件3尺寸大小核算出绝缘支撑板1强度确定，绝缘支撑板1的材料为环氧布板或塑料板；本实施例中，半导体器件的压装装置在高压系统中运行，可能需要承受10KV乃至几十KV的高压，这对于组件压装结构的绝缘特性要求高，在考虑放电间隙的基础上还需要考虑爬电距离，来保证组件在运行过程中不打火。为解决上述技术问题，本发明在绝缘支撑板1上设有环形槽12，环形槽12沿绝缘支撑板1的长度方向设置，用于增加爬电距离，提高组件的绝缘耐压能力。

本实施例中，顶压组件4包括压板41、球头螺栓42、碟簧导柱43、碟簧44及绝缘垫块45，压板41通过紧固件6安装于两组绝缘支撑板1之间，压板41为铝合金材料制成；球头螺栓42螺接于压板41上，球头螺栓42的一端设于碟簧导柱43的上方，用于施加或卸载压力；碟簧导柱43用于将球头螺栓42的压力平衡地传递给下部部件，为提高碟簧导柱43的平衡能力，球头螺栓42与碟簧导柱43接触的一端为球形面，而碟簧导柱43上设有与球形面相配的凹槽431；碟簧44位于碟簧导柱43与绝缘垫块45之间，并在球头螺栓42与碟簧导柱43抵紧配合时呈压缩状，碟簧44采用对合方式，在同样压力情况下，提高变形量，可相应减少偏差对压力的影响；绝缘垫块45通过定位销5限位于顶层的散热器2上，同时，绝缘垫块45的上表面设有定位槽，定位槽用于限制碟簧44的变形位移，碟簧44设置于所述定位槽的上方。

本实施例中，顶压组件4施加的压力过小或者过大都会对半导体器件3的应用产生很大的影响，因此在组件压装结构中需要保证器件压力的合适范围，以确保组件的可靠性。现有技术一方面采用定力矩的方式确定器件压装压力，此方式受螺纹摩擦系数、结构件加工精度、结构件一致性以及人为操作的影响，压力影响因素多，压力精确度不易控制，在同样力矩的情况下，误差可达20％；另一方面采用卡片定位移的方式确定碟簧44变形从而确定器件压装压力，此方式受碟簧44本身精度、碟簧44本身一致性、卡片加工精度以及相关结构件加工精度的影响，对碟簧44本身的一致性、卡片及相关结构件的加工精度要求高，精确性低。为解决上述技术问题，本发明的顶压组件4还包括用于检测顶压组件4压装力的定位针46，定位针46安装于碟簧导柱43上，并位于碟簧44的一侧，定位针46的针头部分与绝缘垫块45保持轻微接触，从而其变形即代表着碟簧44的变形，可忽视碟簧44本身厚度的差异带来的误差，直接取变形量与压力的对应关系，从而排除了碟簧44本身一致性与相关结构件的加工精度的影响，压力精确性高，影响因素少。

本实施例中，定位针46为弹性件，即定位针46内部带弹簧或弹片式结构，并配套电反馈信号输出来精确定义位移，收缩到一定位置时，提供电反馈信息，精度高；在其他实施例中，定位针46也可采用不可收缩易加工成型的圆柱式阶梯结构，以物理的方式定义位移，定位针46的一端固定于碟簧导柱43上，另一端接触绝缘垫块45，在绝缘垫块45上开设有放置槽，然后旋转导柱，将定位针46对应放置槽，当定位针46在压装过程中下移至接触放置槽的底部时，即可认定具备合适的压力，压装完成，此定位针46结构成本低，操作简单。

本实施例中，如图4所示，可在压装装置的两端固定设置上拓展绝缘板7、下拓展绝缘板8，形成带拓展绝缘板的组件压装结构，绝缘支撑板1超出压装的部分设置螺纹孔13，用于内嵌螺母扩展外部结构，即用于组装组件配套的控制、保护及反馈单元，可扩展性强。带拓展绝缘板的组件压装结构可应用于带拓展的控制、保护及反馈单元的半导体组件。

图5示出了本发明基于上述半导体器件的压装装置的压装方法，该压装方法包括如下步骤：

步骤1)：将散热器2水平支撑于两组绝缘支撑板1之间，并固定位于底层的散热器2；

步骤2)：将半导体器件3逐个安装在相邻的两散热器2之间；

步骤3)：将顶压组件4安装于两组绝缘支撑板1之间；

步骤4)：顶压组件4施加压装力至设定值，接入连接铜排9，完成压装。

首先，本发明将散热器2水平支撑于两组绝缘支撑板1之间，且固定位于底层的散热器2，构成压装装置的外框架，避免了采用多个螺母固定框架操作繁琐的问题，并可快速组装，且在组装过程中，散热器2即可处于水平状态以保证散热器2的同面性及压板41间距的控制，无需后续调整检测，操作快捷简便，且散热器2支撑设置，使半导体器件3可单独拆装更换，易维护；其次，本发明摒弃了传统的螺杆螺母施压结构，只需在器件顶端设置一顶压组件4即可，避免了采用多个螺母施加作用力不易控制的问题，提高了压装可靠性。

本实施例中，以应用于高压软启动领域的五个串联晶闸管构成的压装组件为例，详述半导体器件的压装装置的压装方法的具体过程为：首先，如图5所示，底部的散热器2支撑于限位凸台上，并通过紧固件6与绝缘支撑板1固联，然后依次放入所需的散热器2，压板41通过紧固件6与绝缘支撑板1固联，从而构成压装组件的框架；再将半导体器件3逐个放入相邻两个散热器2之间，半导体器件3下部通过定位销5与散热器2对中定位；然后在最上面的散热器2上依次放置绝缘垫块45、碟簧44及碟簧导柱43，定位针46装在碟簧导柱43上，定位针46的针头部分与绝缘垫块45保持轻微接触，从压板41上拧入球头螺栓42；最后通过棘轮扳手施加压力，当压力到达预定值时，停止加力，接入连接铜排9，完成整个压装装置的压装操作。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种半导体器件的压装装置，其特征在于，包括顶压组件、多个散热器及两组绝缘支撑板，两组所述绝缘支撑板平行且相对布置，沿绝缘支撑板的长度方向，多个所述散热器水平支撑于两组所述绝缘支撑板之间，位于底层的所述散热器通过紧固件固定于所述绝缘支撑板上；所述顶压组件位于两组所述绝缘支撑板之间，且作用于位于顶层的所述散热器上；

所述顶压组件包括压板、球头螺栓、碟簧导柱、碟簧、绝缘垫块及用于检测顶压组件压装力的定位针，所述压板安装于两组所述绝缘支撑板之间，所述球头螺栓螺接于所述压板上，所述球头螺栓的一端设于所述碟簧导柱的上方，所述碟簧设于所述碟簧导柱与绝缘垫块之间，并在所述球头螺栓与碟簧导柱抵紧配合时呈压缩状，所述定位针安装于所述碟簧导柱上，并位于所述碟簧的一侧。

2.根据权利要求1所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，沿所述绝缘支撑板的长度方向，所述绝缘支撑板上设有多个垂向限位部，相邻所述垂向限位部的间距均相等，且小于所述半导体器件的高度，所述散热器的两端支撑于对应一侧所述垂向限位部上。

3.根据权利要求2所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，所述散热器的两端设有用于限制散热器水平位移的限位槽，所述散热器的两端分别通过限位槽卡设于对应一侧的所述绝缘支撑板上。

4.根据权利要求3所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，所述散热器与位于散热器上方的半导体器件的其中一个上设有定位销，另一个上设有与定位销配合的定位孔。

5.根据权利要求1所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，所述定位针为弹性件。

6.根据权利要求5所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，所述绝缘垫块上设有用于限制碟簧变形位移的定位槽，所述碟簧设置于所述定位槽的上方。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的半导体器件的压装装置，其特征在于，沿绝缘支撑板的长度方向，所述绝缘支撑板上设置有多个用于增加爬电距离的环形槽。

8.一种如权利要求1至7任意一项所述的半导体器件的压装装置的压装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：将散热器水平支撑于两组绝缘支撑板之间，并固定位于底层的散热器；

步骤2)：将半导体器件逐个安装在相邻的两散热器之间；

步骤3)：将顶压组件安装于两组绝缘支撑板之间；

步骤4)：顶压组件施加压装力至设定值，接入连接铜排，完成压装。