CN108376702B - 一种用于压接式igbt模块的弹性多孔结构电极 - Google Patents
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Abstract
一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，涉及先进输电技术用IGBT模块领域。将原来刚性凸台式发射极电极端部植入弹性多孔结构，制作成弹性多孔结构电极。在压接装配过程中，保证芯片不受损的情况下通过该结构的弹塑性变形有效的弥补由厚度差异带来的压力分布不均衡。本发明专利是利用3D打印技术中的选区激光熔化技术一体成型制备出弹性多孔结构电极，简化了生产工艺。同时通过合理选择端部多孔结构及材料，满足压接式IGBT中芯片高均流特性和高载流能力的要求。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，涉及先进输电技术用IGBT模块领域。
背景技术
IGBT作为新一代全控型电力电子器件，是电力电子领域的主流器件。其中，压接式IGBT模块串联技术可使主电路结构大为简化，控制复杂性大幅降低，所需器件大为减少，使装置更加紧凑，重量更轻，逐渐在电网应用中成为主流器件，并在我国开发的柔性直流输电换流阀和直流断路器中得到了大量使用。
现有刚性压接式IGBT采用电极、钼片、芯片、调整片直接叠加的压接IGBT封装技术方案，由于加工误差无法避免，局部结构应力集中不可避免，从而严重影响模块芯片的均流特性。另一方面由于管壳、钼片、调整片的厚度公差要求严格，一般累计公差控制在50μm以内，造成配件筛选和生产加工困难。而弹性压接式IGBT结构，尽管采用的碟簧结构可以较完美的解决厚度差异带来的压力分布不均衡问题，但碟簧结构较为复杂，并且器件弹簧压接一侧几乎不能散热，器件功率密度相比双面散热结构有很大限制。另外碟簧机构需要配置电流旁路金属片，相比于刚性压接式结构的“铜柱”，旁路金属片的通流能力有很大的限制，其失效短路保持能力随着电流等级的提高而明显下降。
针对压接式IGBT存在的以上问题，提供一种新型压接式IGBT模块结构是现有技术急需解决的问题。
发明内容：
本发明借鉴刚性压接式IGBT“双面散热”和弹性压接式IGBT“碟簧变形”的优势，设计了一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极。针对现有刚性压接式IGBT模块应力分布不均、均流性差和载流能力低等问题，提出了一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，压接式IGBT模块一般由钼片、IGBT芯片、栅极弹簧针等几部分构成，将原来刚性凸台式发射极电极端部植入弹性多孔结构，制作成弹性多孔结构电极。
一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，即在凸台式刚性发射极电极端部设有或植入弹性多孔结构。
所述的用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，弹性多孔结构为“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”、“面心立方-Z”点阵结构中的一种。
所述用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极是利用3D打印技术中的激光选区熔化技术一体成型制备出弹性多孔结构电极。
所述用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，材料选用铜合金体系，优选为铸造铜合金的一种，进一步优选自CuSn10、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2、ZCuAl9Mn2和ZCuAl10Fe3等。
利用3D打印制备弹性多孔结构电极的方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
步骤1：选择点阵结构形状“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”或“面心立方-Z”点阵结构中的一种，根据需要调整尺寸大小及分布状态等，利用软件完成模型的绘制；
步骤2：购买符合SLM形成要求的铜合金粉末，粒径分布25-53μm，氧含量≤1000ppm；利用打印机在不锈钢基板表面成形变形点阵结构铜合金，通过调整激光功率220W～260W、扫描速度900mm/s～1100mm/s、扫描间距0.09mm～0.11mm等工艺参数制备点阵结构铜合金，并对成形后的铜合金进行退火处理，退火温度320℃～380℃，退火时间100min～120min。
在压接装配过程中，通过弹性多孔结构电极的弹塑性变形有效的弥补由厚度差异带来的压力分布不均衡，有效地保证单个芯片受力均匀。另外，通过选择端部多孔结构的材料并优化设计多孔结构，尽可能的减少其热阻和电阻，不影响IGBT整体的散热和导电性能。同时利用3D打印技术能够制备复杂结构件的特点制备出弹性多孔结构电极，解决目前刚性压接式IGBT芯片并联的均流特性差、生产工艺复杂等问题。本发明所的点阵结构铜合金具有高弹性变形、高比强度的优点。
附图说明：
图1为本发明一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极；
图2压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极工作示意图；在图1中，1、顶盖；2集电极钼片；3、IGBT芯片；4、发射机钼片；5、绝缘框架；6、弹性多孔结构电极；7底座。
图3为本发明专利一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极实物图：a外观图；b截面图；
图4为实施例1点阵结构铜合金模型图；
图5为实施例1激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品宏观图；
图6为为实施例1激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品微观组织结构扫描电镜图；
图7为为实施例1激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品力学性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
(1)利用EOS M280金属3D打印机成形弹性多孔结构电极，电极所选材料为CuSn10(Sn元素质量分数为10％)合金，电极尺寸为5mm×5mm×8mm，如图2所示，端部为“金刚石晶胞”点阵结构。
(2)将打印的弹性多孔结构电极固定在IGBT模块的底座上，依次装配如图1所示的发射机钼片、IGBT芯片、集电极钼片、绝缘框架和顶盖等部件，随后完成IGBT模块的子单元阵列装配。
(3)在施加压力前，由于加工误差等因素，并不能保证所有子单元与顶盖完全接触，从而出现如图1所示的间隙。但施加压力后，依靠弹性多孔结构电极的弹塑性变形，可以有效的弥补由厚度差异带来的压力分布不均衡，有效地保证各个子单元与顶盖紧密接触，而且单个芯片受力均匀。
电极制备和测试：
(1)选择点阵结构形状—金刚石结构，调整尺寸大小及分布状态等，通过静力学理论计算筛选结构，选取具有高弹性变形、高屈服强度的结构模型，利用3DMax软件完成模型的绘制；
(2)利用ABQUS有限元模拟软件，代入CuSn10合金的相关力学性能参数。通过划分网格、设置边界条件、设置分析步等对所设计的模型进行力学行为模拟验证；
(3)购买符合SLM形成要求的CuSn10合金粉末，粒径分布25-53μm，氧含量≤1000ppm；利用EOS M280打印机在不锈钢基板表面成形铜合金，成形尺寸为5mm*5mm*10mm，通过调整激光功率220W、扫描速度1100mm/s、扫描间距0.11mm工艺参数制备点阵结构铜合金，并对成形后的铜合金进行退火处理(退火温度320℃，退火时间120min)；利用扫描电镜(SEM)测试铜合金的组织结构；
(4)利用阿基米德排水法测得试样的相对密度，相对密度为18.5％。利用万能试验机测试所制备样品的力学性能(准静态压缩，压缩速率1*10-3/s)，计算点阵结构铜合金的弹性变形、比强度参数。
对本实施例制备得到的铝基非晶/高熵合金复合材料进行的表征如下：
图4为点阵结构铜合金模型图，图5为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品宏观图，图6为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品微观组织结构扫描电镜图，图7为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品力学性能曲线，材料的弹性变形为9.7％，屈服强度为20.1MPa。
实施例2：
(1)利用EOS M280金属3D打印机成形弹性多孔结构电极，电极所选材料为ZCuAl8Mn13Fe3Ni2合金，电极尺寸为5mm×5mm×8mm，如图2所示，端部为“体心立方-Z”点阵结构。
(2)将打印的弹性多孔结构电极固定在IGBT模块的底座上，依次装配如图1所示的发射机钼片、IGBT芯片、集电极钼片、绝缘框架和顶盖等部件，随后完成IGBT模块的子单元阵列装配。
(3)在施加压力前，由于加工误差等因素，并不能保证所有子单元与顶盖完全接触，从而出现如图1所示的间隙。但施加压力后，依靠弹性多孔结构电极的弹塑性变形，可以有效的弥补由厚度差异带来的压力分布不均衡，有效地保证各个子单元与顶盖紧密接触，而且单个芯片受力均匀。
实施例3：
(1)利用EOS M280金属3D打印机成形弹性多孔结构电极，电极所选材料为ZCuAl10Fe3合金，电极尺寸为5mm×5mm×8mm，如图2所示，端部为“面心立方-Z”点阵结构。
(2)将打印的弹性多孔结构电极固定在IGBT模块的底座上，依次装配如图1所示的发射机钼片、IGBT芯片、集电极钼片、绝缘框架和顶盖等部件，随后完成IGBT模块的子单元阵列装配。
(3)在施加压力前，由于加工误差等因素，并不能保证所有子单元与顶盖完全接触，从而出现如图1所示的间隙。但施加压力后，依靠弹性多孔结构电极的弹塑性变形，可以有效的弥补由厚度差异带来的压力分布不均衡，有效地保证各个子单元与顶盖紧密接触，而且单个芯片受力均匀。
电极制备和测试：
(1)选择点阵结构形状—金刚石结构，调整尺寸大小及分布状态等，通过静力学理论计算筛选结构，选取具有高弹性变形、高屈服强度的结构模型，利用3DMax软件完成模型的绘制；
(2)利用ABQUS有限元模拟软件，代入ZCuAl10Fe3合金的相关力学性能参数。通过划分网格、设置边界条件、设置分析步等对所设计的模型进行力学行为模拟验证；
(3)购买符合SLM形成要求的ZCuAl10Fe3合金粉末，粒径分布25-53μm，氧含量≤1000ppm；利用EOS M280打印机在不锈钢基板表面成形铜合金，成形尺寸为5mm*5mm*10mm，通过调整激光功率250W、扫描速度1000mm/s、扫描间距0.10mm工艺参数制备点阵结构铜合金，并对成形后的铜合金进行退火处理(退火温度380℃，退火时间100min)；利用扫描电镜(SEM)测试铜合金的组织结构；
(4)利用阿基米德排水法测得试样的相对密度，相对密度为22.5％。利用万能试验机测试所制备样品的力学性能(准静态压缩，压缩速率1*10-3/s)，点阵结构弹性变形为9.8％，屈服强度为19.5MPa。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性描述，显然本发明专利具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利技术方案进行的各种改进或未经改进直接应用于其他场合的，均在本发明专利的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极，其特征在于，即在凸台式刚性发射极电极端部设有或植入弹性多孔结构；弹性多孔结构为“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”、“面心立方-Z”点阵结构中的一种；利用3D打印技术中的激光选区熔化技术一体成型制备出弹性多孔结构电极；材料选自CuSn10、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2、ZCuAl10Fe3；利用万能试验机测试所制备样品的力学性能，计算所述点阵结构的弹性变形和比强度参数；若所述材料为CuSn10，所述点阵结构为“金刚石晶胞”，则材料的弹性变形为9.7％，屈服强度为20.1MPa；若所述材料为ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，所述点阵结构为“体心立方-Z”，则材料受力均匀；若所述材料为ZCuAl10Fe3，所述点阵结构为“面心立方-Z”，则材料的弹性变形为9.8％，屈服强度为19.5MPa；
对所述弹性多孔结构电极进行测试的方法包括：利用ABQUS有限元模拟软件，通过划分网格、设置边界条件、设置分析步对所设计的模型进行力学行为模拟验证；利用扫描电镜SEM测试铜合金的组织结构；利用阿基米德排水法测得所制备样品的相对密度。
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