CN108428677B - 一种压接型igbt弹性压装结构及压接型igbt封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压接型IGBT弹性压装结构及压接型IGBT封装结构，通过对子单元数量的增减、排列组合，可以使IGBT弹性压装结构或总的IGBT器件承受不同等级的电流。芯片能够在作用在子单元上的工况压力和所述弹簧组件的标准压力的作用下往复运动并正常工作。在工作状态下，此时散热器将压靠在子单元上，散热器给子单元一定的工况压力，所述子单元当受到正常工况压力时，所述子单元的集电极大钼片发生靠近或贴靠在壳体表面的运动。当工况压力大于弹簧组件的标准压力时，壳体和弹簧组件配合使用，避免过多的压力转移到芯片上，可有效降低由于芯片厚度不均导致在芯片上出现的应力集中、热膨胀过应力问题，显著提高了器件的可靠性。

Description

一种压接型IGBT弹性压装结构及压接型IGBT封装结构

技术领域

本发明涉及IGBT技术领域，具体涉及一种用在IGBT内部的弹性压装结构及包含其的IGBT封装结构。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，又名绝缘栅双极型晶体管，是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上，起到开关的作用。

目前功率IGBT器件按封装工艺可分为焊接型与压接型两类。

焊接型功率IGBT器件已经在国内外得到了广泛应用，常见的焊接型功率IGBT封装结构主要包括母排电极、键合引线、芯片、焊层、衬板和基板几大部分，其中芯片焊接与固定以及各芯片电极互连键合引线是焊接型封装的关键环节。为了提高器件的可靠性，要求各部分材料的热膨胀系数相匹配，散热特性好及连接界面尽量少且连接牢固。随着功率等级不断提升，在焊接、引线键合等工艺条件限制下，焊接型结构存在的芯片焊层退化、引线脱落等失效问题更加突出。随着技术的不断改进，焊接模块遇到了发展瓶颈：功率等级。即在芯片功率密度无法再大幅提升的情况下，要实现器件更高电压更大电流，需采用更大规模的芯片并联，需要更加快速的散热能力、需要更高的浪涌能力等等，焊接型封装已不能满足功率等级进一步提升的需求。

对此，在业内开始采用压接型封装形式。压接型封装采用多个IGBT芯片并联通过压力连接到外壳两极。相比焊接型IGBT器件，压接型器件具有更大通流能力、更低的热阻、更高的工作温度、更低的寄生电感、更宽的安全工作区和更高的可靠性等，在高压大功率和高可靠性应用领域优势明显。

目前压接型封装结构按压力接触方式主要有两种。一种是直接硬压接，即在芯片两侧均采用金属硬台面接触，此类结构形式简单，但对芯片厚度一致性及压力均匀性要求高，对内部结构件的表面加工精度要求严格。随着器件容量提高、内部芯片数量增加，压力和压接面积也会相应增大，大面积高精度加工实现更加困难，由于芯片与金属结构硬接触，芯片略厚的部位在压装时压力远大于芯片上略薄的部位，压力不均会引起接触电阻和热阻的差异，使器件内部出现区域性温度过高现象，最终加速芯片老化失效。如果应力集中严重，芯片将被直接磨损压坏。

为此，业内采用了另一种压接型封装结构：弹性压接，该结构内部增加了弹簧机构，结构中与每个芯片接触由硬压接变为了与弹簧机构之间的弹性接触。由于弹簧变形力远小于材料自身变形内应力，在外部压力作用下，不可避免的尺寸偏差会转变成弹簧变形量被均衡，从而弹性压接结构可以较好地兼容芯片之间的厚度误差。

但是，现有技术中，弹性压接中的弹簧机构常采用市面上常见的碟形弹簧，碟形弹簧与芯片发生接触时为线接触，线接触自身的基础面积小，容易造成接触面电阻过大，进而造成电流的损耗过大。同时，在压装使用时，由于碟形弹簧被压缩，当碟形弹簧的压缩量过大时，此时芯片两面所受到的压力较大，仍然会出现应力集中的问题，进而造成热膨胀、过应力等现象。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的压接型封装结构中由于结构偏差，容易出现芯片所受压力均匀性不足、造成热膨胀等问题的缺陷。

为此，本发明提供一种压接型IGBT弹性压装结构，包括：壳体，壳体内部设置有若干个容纳腔，所述容纳腔设置有开口；若干个彼此并联的子单元，设置在所述容纳腔内部，并可相对所述开口往复运动；门极电路板，设置在所述容纳腔下方，用以将IGBT芯片门极与外部控制电路连接。

所述子单元包括：若干个彼此并联的弹簧组件，所述弹簧组件固定在所述壳体的底面上，所述弹簧组件具有提供给芯片正常工作的标准压力；与所述弹簧组件分布一致的芯片，所述芯片的发射极通过小钼片与所述弹簧组件相连接，所述芯片的集电极焊接在集电极大钼片，所述芯片能够在作用在子单元上的工况压力和所述弹簧组件的标准压力的作用下往复运动并正常工作；

在非工作状态下，所述子单元的所述集电极大钼片顶出至所述开口外侧；在工作状态下，所述子单元当受到正常工况压力时，所述子单元的集电极大钼片发生靠近或贴靠在壳体表面的运动；当工况压力大于所述弹簧组件的标准压力时，所述集电极大钼片与所述壳体表面平齐，所述工况压力与所述标准压力的差值转移至所述壳体上。

所述子单元还包括：发射极汇流板，设置在所述弹簧组件远离所述芯片的一端，若干个所述弹簧组件可拆卸地安装在所述发射极汇流板上，所述发射极汇流板与所述壳体之间电导通连接。

所述弹簧组件包括：导向插孔，一端可拆卸的安装在所述发射极汇流板；顶压插针，可往复运动地套设在所述导向插孔上，一端通过小钼片连接所述芯片；弹性件，所述弹性件，套设在所述导向插孔上，所述弹性件用以提供所述顶压插针带动所述芯片顶出所述容纳腔开口的压力。

所述导向插孔的内壁上设置有由导体制成的冠状弹簧片，流过所述顶压插针上的电流流经所述冠状弹簧片并传递至所述导向插孔上。

所述导向插孔的内壁上设置有容纳槽，所述冠状弹簧片为设置在所述容纳槽中的冠状弹簧片，所述冠状弹簧片凸出所述容纳槽并与所述顶压插针相接触。

所述冠状弹簧片与所述顶压插针之间为阻尼接触。

所述导向插孔与所述发射极汇流板之间采用螺纹连接或者铆接。

本发明同时提供一种压接型IGBT封装结构，包括：上文提供的弹性压装结构，在所述弹性压装结构靠近所述集电极大钼片的一端形成器件集电极；所述弹性压装结构位于所述发射极汇流板的一端形成器件发射极。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的压接型IGBT弹性压装结构，若干个彼此并联的子单元，设置在所述容纳腔内部，并可相对所述开口往复运动，通过对子单元数量的增减、排列组合，可以使IGBT弹性压装结构或总的IGBT器件承受不同等级的电流，通用性较强。

同时，芯片能够在作用在子单元上的工况压力和所述弹簧组件的标准压力的作用下往复运动。在非工作状态下，子单元的所述集电极大钼片顶出至所述开口外侧；在工作状态下，此时散热器将压靠在子单元上，集电器给子单元一定的工况压力，所述子单元当受到正常工况压力时，所述子单元的集电极大钼片发生靠近或贴靠在壳体表面的运动。当工况压力大于所述弹簧组件的标准压力时，所述集电极大钼片与所述壳体表面平齐，所述工况压力与所述标准压力的差值转移至所述壳体上，此时壳体和弹簧组件配合使用，避免过多的压力转移到芯片上，可有效降低由于芯片厚度不均导致在芯片上出现的应力集中、热膨胀过应力问题，显著提高了器件的可靠性。

2.本发明提供的压接型IGBT弹性压装结构，发射极汇流板设置在所述弹簧组件远离所述芯片的一端，若干个所述弹簧组件可拆卸地安装在所述发射极汇流板上，所述发射极汇流板与壳体的底壁之间电导通连接。通过多个IGBT上的芯片进行并联，可以获得更大的电流传动能力，更小的阻止。

3.本发明提供的压接型IGBT弹性压装结构，所述弹簧组件包括：一端可拆卸的安装在所述发射极汇流板的导向插孔；可往复运动地套设在所述导向插孔上的顶压插针；所述导向插孔的内壁上设置有容纳槽，所述冠状弹簧片为设置在所述容纳槽中的冠状弹簧片，所述冠状弹簧片凸出所述容纳槽并与所述顶压插针相接触。

现有技术中，弹性压接中的弹簧机构常采用市面上常见的碟形弹簧，碟形弹簧与芯片发生接触时为线接触，线接触自身的基础面积小，容易造成接触面电阻过大，进而造成电流的损耗过大。

本发明中，电流依次流经顶压插针、冠状弹簧片和导向插孔，将现有技术中的线接触变成了面接触，这大大提高了接触面积，降低了电阻，有效地提高了电流的传递效率。

4.本发明提供的压接型IGBT弹性压装结构，所述冠状弹簧片与所述顶压插针之间为阻尼接触，使得冠状弹簧片始终紧密贴靠在顶压插针和导向插孔上。从而确保了顶压插针与导向插孔在相对运动过程中电流传递的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的所述压接型IGBT弹性压装结构的结构示意图；

图2为本发明提供的所述子单元的结构示意图；

图3为本发明提供的所述弹簧组件的结构示意图；

图4为本发明提供的所述弹簧组件的另一种结构示意图。

附图标记说明：

1-壳体；2-子单元；3-门极电路板；4-弹簧组件；41-顶压插针；42-弹性件；43-导向插孔；431-容纳槽；5-芯片；6-集电极大钼片；7-发射极汇流板；8-冠状弹簧片；9-固定框架；10-小钼片；11-垫圈；12-水平台阶。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种压接型IGBT弹性压装结构，如图1所示，包括：壳体1，内部设置有若干个容纳腔，所述容纳腔设置有开口；若干个彼此并联的子单元2，设置在所述容纳腔内部，并可相对所述开口往复运动，不同子单元2的配合可以实现不同的功率要求；门极电路板3，设置在所述容纳腔下方，用以将IGBT芯片门极与外部控制电路连接。

在使用过程中，位于子单元一侧的散热器会提供给子单元一个工况压力。

本实施例中，如图2所示，所述子单元2包括如下组件：固定框架9，若干个彼此并联的弹簧组件4，所述弹簧组件4固定在所述壳体1的底面上，所述弹簧组件4具有提供给芯片5正常工作的标准压力；与所述弹簧组件4分布一致的芯片5，所述芯片5的发射极通过小钼片10与所述弹簧组件4相连接，所述芯片5的集电极焊接在集电极大钼片6，所述芯片5能够在作用在子单元2上的工况压力和所述弹簧组件4的标准压力的作用下往复运动；

在非工作状态下，所述子单元2的所述集电极大钼片6顶出至所述开口外侧；在工作状态下，所述子单元2当受到散热器给出的正常工况压力时，所述子单元2的集电极大钼片6发生靠近或贴靠在壳体1表面的运动；当工况压力大于所述弹簧组件4的标准压力时，所述集电极大钼片6与所述壳体1表面平齐，所述工况压力与所述标准压力的差值转移至所述壳体1上。

具体地，子单元2上电极凸出壳体1一定高度，该高度等于功率IGBT器件安装受压时碟形弹簧的总变形量，及集电极大钼片6在碟形弹簧的推举作用下所能达到的最大高度。当施加压力超过额定工作压力时，子单元2上电极被压到与壳体1表面平齐后，多余压力会施加在壳体1之上，从而保证子单元2不会过载荷，内部芯片5不被压坏。

本实施例中，如图2所示，所述子单元2还包括：发射极汇流板7，设置在所述弹簧组件4远离所述芯片5的一端，若干个所述弹簧组件4可拆卸地安装在所述发射极汇流板7上，所述发射极汇流板7与壳体1之间电导通连接。

本实施例中，如图3和4所示，所述弹簧组件4包括：顶压插针41，一端通过小钼片10连接有所述芯片5；弹性件42，作用在所述顶压插针41上，用以提供使所述芯片5顶出所述容纳腔开口的压力。其中，弹性件42采用碟形弹簧，其材质为50CrVA具体地，所述碟形弹簧成对组合，可以采用三对碟形弹簧。导向插孔43，与所述发射极汇流板7之间采用螺纹连接或者采用压铆连接。顶压插针41可往复运动地套设在所述导向插孔43上；弹性件42，套设在所述导向插孔43上，所述弹性件42用以提供所述顶压插针41带动所述芯片5顶出所述容纳腔开口的压力。顶压插针41、导向插孔43和发射极汇流板7采用T2(Y)铜，表面处理为镍底镀银，这样的处理方式接触电阻小，稳定性高。

具体地，如图4所示，在所述导向插孔43的外壁上成型有水平台阶12，所述弹性件42的一端顶靠在所述水平台阶12上，垫圈11设置在弹性件与水平台阶之间。

本实施例中，在弹性件42与顶压插针41之间设置有垫圈11，通过垫圈11可以减小弹性件42与顶压插针41所受到的摩擦力，进而减弱二者受到的磨损。

本实施例中，为了实现电流从子单元2到门极电路板3的流动，在导向插孔43的内壁上设置有由导体制成的冠状弹簧片8，流过所述顶压插针41上的电流流经所述冠状弹簧片8并传递至所述导向插孔43上。

具体地，如图3所示，所述导向插孔43的内壁上设置有容纳槽431，所述冠状弹簧片8为设置在所述容纳槽431中的冠状弹簧片，所述冠状弹簧片凸出所述容纳槽431并与所述顶压插针41相接触。

本实施例中，所述冠状弹簧片8与所述顶压插针41之间为阻尼接触，使得冠状弹簧片始终紧密贴靠在顶压插针41和导向插孔43上。从而确保了顶压插针41与导向插孔43在相对运动过程中电流传递的稳定性。

本实施例中，冠状弹簧片材质为铍青铜，片状圆环开槽结构，高弹性、高强度。同时，冠状弹簧片也可采用线状弹簧片结构或者其它结构。

实施例2

本实施例提供一种压接型IGBT封装结构，包括：实施例1中提供的弹性压装结构；具体地，所述弹性压装结构靠近集电极大钼片6的一端形成器件集电极；所述弹性压装结构位于发射极汇流板7的一端形成器件发射极。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种压接型IGBT弹性压装结构，其特征在于，包括：

壳体(1)，内部设置有若干个容纳腔，所述容纳腔设置有开口；

若干个彼此并联的子单元(2)，设置在所述容纳腔内部，并可相对所述开口往复运动；

门极电路板(3)，设置在所述容纳腔下方，用以将IGBT芯片门极与外部控制电路连接；

所述子单元(2)包括：

若干个彼此并联的弹簧组件(4)，所述弹簧组件(4)固定在所述壳体(1)的底面上，所述弹簧组件(4)具有提供给芯片(5)正常工作的标准压力；

与所述弹簧组件(4)分布一致的芯片(5)，所述芯片(5)的发射极通过小钼片(10)与所述弹簧组件(4)相连接，所述芯片(5)的集电极焊接在集电极大钼片(6)，所述芯片(5)能够在作用在子单元(2)上的工况压力和所述弹簧组件(4)的标准压力的作用下往复运动；

在非工作状态下，所述子单元(2)的所述集电极大钼片(6)顶出至所述开口外侧；在工作状态下，所述子单元(2)当受到正常工况压力时，所述子单元(2)的集电极大钼片(6)发生靠近或贴靠在壳体(1)表面的运动；当工况压力大于所述弹簧组件(4)的标准压力时，所述集电极大钼片(6)与所述壳体(1)表面平齐，所述工况压力与所述标准压力的差值转移至所述壳体(1)上；

所述弹簧组件(4)包括：顶压插针(41)，一端通过小钼片(10)连接所述芯片(5)；

导向插孔(43)，所述导向插孔(43)的内壁上设置有由导体制成的冠状弹簧片(8)，所述导向插孔(43)的内壁上设置有容纳槽(431)，所述冠状弹簧片(8)为设置在所述容纳槽(431)中的冠状弹簧片，所述冠状弹簧片凸出所述容纳槽(431)并与所述顶压插针(41)相接触。

2.根据权利要求1所述的弹性压装结构，其特征在于，所述子单元(2)还包括：

发射极汇流板(7)，设置在所述弹簧组件(4)远离所述芯片(5)的一端，若干个所述弹簧组件(4)可拆卸地安装在所述发射极汇流板(7)上，所述发射极汇流板(7)与所述壳体(1)之间电导通连接。

3.根据权利要求2所述的弹性压装结构，其特征在于，所述弹簧组件(4)包括：

弹性件(42)，作用在所述顶压插针(41)上，用以提供使所述芯片(5)顶出所述容纳腔的所述开口的压力。

4.根据权利要求3所述的弹性压装结构，其特征在于，所述弹簧组件(4)还包括：

所述导向插孔(43)，一端可拆卸的安装在所述发射极汇流板(7)；

所述顶压插针(41)，可往复运动地套设在所述导向插孔(43)上；

所述弹性件(42)，套设在所述导向插孔(43)上，所述弹性件(42)用以提供所述顶压插针(41)带动所述芯片(5)顶出所述容纳腔开口的压力。

5.根据权利要求4所述的弹性压装结构，其特征在于，流过所述顶压插针(41)上的电流流经所述冠状弹簧片(8)并传递至所述导向插孔(43)上。

6.根据权利要求5所述的弹性压装结构，其特征在于，所述冠状弹簧片与所述顶压插针(41)之间为阻尼接触。

7.根据权利要求6所述的弹性压装结构，其特征在于，所述导向插孔(43)与所述发射极汇流板(7)之间采用螺纹或压铆连接。

8.一种压接型IGBT封装结构，其特征在于，包括：

权利要求2-7中任一项所述的弹性压装结构，所述弹性压装结构靠近集电极大钼片(6)的一端形成器件集电极；所述弹性压装结构位于发射极汇流板(7)的一端形成器件发射极。

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