CN109545753A - 一种压接式双芯gct的封装结构 - Google Patents

一种压接式双芯gct的封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压接式双芯GCT的封装结构，由上至下依次包括金属管盖、阳极钼片、双芯GCT芯片、阴极钼片、内门极套件与外门极套件、金属管座压接而成；在外圆表面，内门极套件与外门极套件与金属管盖之间设置有上陶瓷环，内门极套件与外门极套件与金属管座之间设置有下陶瓷环。本发明的封装结构，内门极套件与外门极套件通过环形绝缘座上的凹槽互连配合，将双门极电流信号相互隔离并引出至管壳外，分别与驱动电路板相接，整体结构紧凑，热、电可靠性高，完全满足双芯GCT的实用化要求。

Description

一种压接式双芯GCT的封装结构
技术领域
本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种压接式双芯GCT的封装结构。
背景技术
双芯GCT是在集成门极换流晶闸管(IGCT)的基础上开发的一种新型电力半导体器件，是将两个具有不同特性的GCT(即GCT-A和GCT-B)集成在同一个芯片上，并与门极驱动电路板集成在一起，形成一个功率组件。
双芯GCT结构中，GCT-A和GCT-B有相同的纵向结构和共用的阳极和阴极，并采用两个独立的门极分别控制GCT-A和GCT-B；且GCT-A和GCT-B中的载流子寿命不同。开通时，GCT-A和GCT-B同时开通，由载流子寿命高的GCT-A决定了双芯GCT具有低的通态损耗；关断时，GCT-A先关断、GCT-B迟延关断，由载流子寿命低的GCT-B决定双芯GCT具有低的开关损耗，因而，双芯GCT拥有很低的损耗。
对于小容量的双芯GCT而言，由于芯片面积较小，通常采用一个中心门极和一个环形门极就可以实现其开关控制；但对于大容量的双芯GCT而言，由于芯片面积相应增大，若沿用中心门极和环形门极结构，势必会造成电流驱动信号传输严重不均，使得各阴极单元开关动作不一致，导致开关过程中的电流集中。此外，采用常规的压接式封装结构，双芯GCT的双门极引出端无法与芯片结构相匹配，使得双门极控制信号无法引出至管壳外与驱动电路板相连接。上述的问题严重制约了大容量双芯GCT的研发。
发明内容
本发明的目的是提供一种压接式双芯GCT的封装结构，解决了现有技术中电流驱动信号传输严重不均导致开关过程中的电流集中，以及双门极控制信号无法引出至管壳外与驱动电路板相连接问题。
本发明所采用的技术方案是，一种压接式双芯GCT的封装结构，由上至下依次包括金属管盖、阳极钼片、双芯GCT芯片、阴极钼片、内门极套件与外门极套件、金属管座压接而成；在外圆表面，内门极套件与外门极套件与金属管盖之间设置有上陶瓷环，内门极套件与外门极套件与金属管座之间设置有下陶瓷环。
本发明的压接式双芯GCT的封装结构，其特征还在于：
所述的双芯GCT芯片上表面为金属化阳极A，金属化阳极A向上与阳极钼片紧密接触，阳极钼片向上压接有金属管盖；
在双芯GCT芯片下表面设置有按同心环均匀分布的上千个指状阴极条和呈环形分布的内门极GA和外门极GB；内门极GA向下与内门极金属环相接触，外门极GB向下与外门极金属环相接触，每个门极金属环配套有相应的门极套件；内门极GA以内的阴极条与其下方的阴极内钼片相接触，内门极GA以外的阴极条与其下方的阴极外钼片相接触；阴极内钼片和阴极外钼片下方与金属管座压接接触。
所述的内门极套件包括内环形绝缘座，内环形绝缘座的直径一侧外圆面向上开口均匀设置有多个凹槽一，内环形绝缘座的圆周开有深槽，该深槽中套装有内门极金属环，内门极金属环下端与深槽槽底之间设置有内弹性垫片，内门极金属环及其下方的内弹性垫片的直径与内门极GA的直径相同，内门极金属环上端面与GCT-A的内门极GA接触，每个凹槽一与内门极引出端上的一个辐条一内端套接；每个辐条一的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，每个辐条一宽度小于凹槽一的宽度，使辐条一的内端头卡在凹槽一内，各个辐条一的外端头连成一个半圆环作为内门极引出端。
所述的外门极套件包括外环形绝缘座，外环形绝缘座的上端面设置有环形槽，环形槽中安装有外门极金属环，外门极金属环与环形槽槽底之间设置有外弹性垫片，外门极金属环及其下方的外弹性垫片的直径与外门极GB的直径相同，外门极金属环上端面与GCT-B的外门极GB接触；外环形绝缘座主体直径一侧上沿均匀分布有多个凹槽二，该直径另一侧下沿均匀分布有多个凹槽三；凹槽二中安装有外门极引出端的辐条二，多个辐条二的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，且辐条二两端不在同一个平面内，弯曲成“Z”字形，辐条二宽度小于凹槽二宽度，使辐条二内端头卡在凹槽二内，各个辐条二的外端头连成一个半圆环作为外门极引出端，将GCT-B的门极信号引出至管壳外围；外环形绝缘座下方的凹槽三与内门极引出端上的辐条一套接并与凹槽一沿径向一一对应，使辐条一的内端头压接在凹槽一中，辐条一的外端头靠近半圆环处与凹槽三相压接。
所述的外环形绝缘座上端面的结构是，与内环形绝缘座相比，外环形绝缘座上端面的环形槽较浅，且外环形绝缘座的底部较厚。
所述的外环形绝缘座下端面的结构是，在较厚的实心底部与上端面凹槽二对应的直径另一侧沿径向均匀分布多个凹槽三，凹槽三的深度小于外环形绝缘座底部壁厚，且大于内门极引出端的辐条一厚度。
所述的内环形绝缘座和外环形绝缘座均选用聚苯硫醚绝缘材料，内门极引出端和外门极引出端及其辐条均为金属材料。
本发明的有益效果是，采用两个环形门极套件将双门极电流信号相互隔离并引出至管壳外与驱动电路板相接，即保证了双门极电流信号的传输速度，又满足压接式器件的散热特性要求，整体结构紧凑、体积小，热、电可靠性高。
附图说明
图1是本发明封装结构中的双芯GCT芯片3的剖面示意图；
图2是本发明封装结构中的门极图形示意图；
图3是本发明的剖面图；
图4是本发明封装结构的分解结构示意图；
图5是本发明封装结构中的门极套件结构示意图；
图6为本发明中的外环形绝缘座7-3上端面的结构示意图；
图7为本发明中的外环形绝缘座7-3下端面的结构示意图；
图8是本发明封装结构的纵向温度分布仿真曲线；
图9是本发明的双芯GCT芯片表的面热机械应力分布仿真曲线。
图中，1.金属管盖，2.阳极钼片，3.双芯GCT芯片，4.阴极钼片，6.内门极套件，7.外门极套件，8.金属管座，
4-1.阴极内钼片，4-2.阴极外钼片，
5-1.上陶瓷环，5-2.下陶瓷环，
6-1.内门极金属环，6-2.内弹性垫片，6-3.内环形绝缘座，6-3-1.凹槽一，6-4.内门极引出端，
7-1.外门极金属环，7-2.外弹性垫片，7-3.外环形绝缘座，7-3-1.凹槽二，7-3-2.凹槽三，7-4.外门极引出端。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明封装结构中的双芯GCT芯片3的剖面(沿半径方向)结构是，实施例阴极条总共设置有9环，GCT-A位于芯片中央，其内门极GA设在阴极条3环-4环之间；GCT-B位于芯片外围，其外门极GB设在芯片阴极条9环(有源区)与终端区的交界处；GCT-A和GCT-B两者之间设置有隔离区，隔离区采用pnp结构实现隔离。
参照图2，是本发明封装结构中的门极俯视结构，内门极GA和外门极GB为同心设置，GCT-A的内门极GA半径较小(位于内圈)，GCT-B的外门极GB半径较大(位于外圈)。
参照图3，本发明的封装结构是，由上至下依次包括金属管盖1、阳极钼片2、双芯GCT芯片3、阴极钼片4、内门极套件6与外门极套件7、金属管座8压接而成；在外圆表面，内门极套件6与外门极套件7与金属管盖1之间设置有上陶瓷环5-1，内门极套件6与外门极套件7与金属管座8之间设置有下陶瓷环5-2，上陶瓷环5-1和下陶瓷环5-2均通过熔接方式固定牢靠，形成完整的封装结构。
参照图4，为本发明的压接式双芯GCT封装结构的装配分解示意图。双芯GCT芯片3上表面为金属化阳极A，金属化阳极A向上与阳极钼片2紧密接触，阳极钼片2向上压接有金属管盖1，金属管盖1既作为整个器件的阳极A引出端，还承担保护芯片的作用；
在双芯GCT芯片3下表面设置有按9个同心环均匀分布的上千个指状阴极条(与图1中的9个阴极台面相对应，图2中没有画出)和呈环形分布的内门极GA和外门极GB，且门-阴极之间采用聚酰亚胺膜进行绝缘保护；内门极GA向下与内门极金属环6-1相接触，外门极GB向下与外门极金属环7-1相接触，每个门极金属环配套有相应的门极套件，以便将门极信号引出至管壳外；内门极GA以内的阴极条与其下方的阴极内钼片4-1相接触，内门极GA以外的阴极条与其下方的阴极外钼片4-2相接触；阴极内钼片4-1和阴极外钼片4-2下方与金属管座8压接接触，金属管座8既作为整个器件的阴极K引出端，还承担保护芯片的作用；
金属管盖1、金属管座8、内门极的引出端6-4、外门极的引出端7-4与外围的上陶瓷环5-1和下陶瓷环5-2熔接，形成完整密封的封装管壳；
金属管座8安装边、内门极引出端6-4半圆环及外门极引出端7-4半圆环上各自沿圆周方向均匀分布有多个圆孔，封装时将驱动电路板插在金属管座8与内门极引出端6-4及外门极引出端7-4之间，再用螺钉穿过对应的圆孔将封装管壳与驱动电路板固定为一体。
参照图5，本发明封装结构中的门极套件包括内门极套件6和外门极套件7，
内门极套件6包括内环形绝缘座6-3，内环形绝缘座6-3的直径一侧外圆面向上开口均匀设置有多个凹槽一6-3-1(实施例中凹槽一6-3-1为6个)，内环形绝缘座6-3的圆周开有深槽，该深槽中套装有内门极金属环6-1，内门极金属环6-1下端与深槽槽底之间设置有内弹性垫片6-2，内门极金属环6-1及其下方的内弹性垫片6-2的直径与内门极GA的直径相同，内门极金属环6-1上端面与GCT-A的内门极GA接触，每个凹槽一6-3-1与内门极引出端6-4上的一个辐条一内端套接；每个辐条一的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，每个辐条一宽度略小于凹槽一6-3-1的宽度，使辐条一的内端头卡在凹槽一6-3-1内，各个辐条一的外端头(即另一端)连成一个半圆环作为内门极引出端6-4，将GCT-A的门极信号引出至封装管壳外围；
内门极引出端6-4的辐条一表面需要包裹聚乙烯套管，以确保压接时门极和阴极间的电绝缘；
外门极套件7包括外环形绝缘座7-3，外环形绝缘座7-3的上端面设置有环形槽，环形槽中安装有外门极金属环7-1，外门极金属环7-1与环形槽槽底之间设置有外弹性垫片7-2，外门极金属环7-1及其下方的外弹性垫片7-2的直径与外门极GB的直径相同，外门极金属环7-1上端面与GCT-B的外门极GB接触；外环形绝缘座7-3主体直径一侧上沿均匀分布有多个凹槽二7-3-1，该直径另一侧下沿均匀分布有多个凹槽三7-3-2(实施例中凹槽二7-3-1和凹槽三7-3-2各为6个)；凹槽二7-3-1中安装有外门极引出端7-4的辐条二，多个辐条二的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，且辐条二两端不在同一个平面内，弯曲成“Z”字形，辐条二宽度略小于凹槽二7-3-1宽度，使辐条二内端头卡在凹槽二7-3-1内，各个辐条二的外端头连成一个半圆环作为外门极引出端7-4，将GCT-B的门极信号引出至管壳外围；外环形绝缘座7-3下方的凹槽三7-3-2与内门极引出端6-4上的辐条一套接并与凹槽一6-3-1沿径向一一对应，使辐条一的内端头压接在凹槽一6-3-1中，辐条一的外端头靠近半圆环处与凹槽三7-3-2相压接。
参照图6，外环形绝缘座7-3上端面的结构是，与内环形绝缘座6-3相比，外环形绝缘座7-3上端面的环形槽较浅，且外环形绝缘座7-3的底部较厚，外环形绝缘座7-3上端面直径一边径向设置有多个凹槽二7-3-1；
参照图7，外环形绝缘座7-3下端面的结构是，在较厚的实心底部与上端面凹槽二7-3-1对应的直径另一侧沿径向均匀分布多个凹槽三7-3-2，凹槽三7-3-2的深度略小于外环形绝缘座7-3底部壁厚，且略大于内门极引出端6-4的辐条一厚度。
上述的内环形绝缘座6-3和外环形绝缘座7-3均选用聚苯硫醚绝缘材料，内门极引出端6-4和外门极引出端7-4及其辐条均为金属。
仿真验证：
为了评估本发明的压接式双芯GCT封装结构的散热特性和热可靠性，采用ANSYS软件对该封装结构进行建模，仿真时按照双面散热方式在管座和管盖处分别添加翅片式散热器，对该模型进行温度和热机械应力分布仿真。
图8为本发明的压接式双芯GCT封装结构纵向温度分布仿真曲线图。由图8可见，本发明封装结构的最高温度位于芯片中央处，其值为95.3℃，低于安全工作温度(即125℃)；最低温度位于散热器最外围。从芯片中央分别至两侧的管壳和管座，纵向温度分布由内向外逐渐减小，阳极侧的温度为85℃，阴极侧的温度为83℃，这是因为阴极侧设置了门极套件以引出门极，导致两侧的温度分布不对称。
图9是本发明的压接式双芯GCT芯片表面热机械应力分布仿真曲线。由图9可见，沿芯片表面水平方向的热机械应力分布呈波浪形变化，这是由于芯片表面热机械应力较小，两个门极套件处的热机械应力较大所致。并且，内门极套件和外门极套件处的热机械应力稍高于芯片中央，芯片表面终端处的热机械应力最小。
上述结果表明，本发明的压接式双芯GCT封装结构在实现双门极电气特性要求的前提下，也完全满足器件对散热性能和热可靠性的要求。
该封装结构也适用于阴极条为9环以上的双芯GCT芯片封装，只是内门极套件和外门极套件的尺寸需要随GA和GB的位置作相应变化。

Claims (7)

1.一种压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：由上至下依次包括金属管盖(1)、阳极钼片(2)、双芯GCT芯片(3)、阴极钼片(4)、内门极套件(6)与外门极套件(7)、金属管座(8)压接而成；在外圆表面，内门极套件(6)与外门极套件(7)与金属管盖(1)之间设置有上陶瓷环(5-1)，内门极套件(6)与外门极套件(7)与金属管座(8)之间设置有下陶瓷环(5-2)。
2.根据权利要求1所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的双芯GCT芯片(3)上表面为金属化阳极A，金属化阳极A向上与阳极钼片(2)紧密接触，阳极钼片(2)向上压接有金属管盖(1)；
在双芯GCT芯片(3)下表面设置有按同心环均匀分布的上千个指状阴极条和呈环形分布的内门极GA和外门极GB；内门极GA向下与内门极金属环(6-1)相接触，外门极GB向下与外门极金属环(7-1)相接触，每个门极金属环配套有相应的门极套件；内门极GA以内的阴极条与其下方的阴极内钼片(4-1)相接触，内门极GA以外的阴极条与其下方的阴极外钼片(4-2)相接触；阴极内钼片(4-1)和阴极外钼片(4-2)下方与金属管座(8)压接接触。
3.根据权利要求1所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的内门极套件(6)包括内环形绝缘座(6-3)，内环形绝缘座(6-3)的直径一侧外圆面向上开口均匀设置有多个凹槽一(6-3-1)，内环形绝缘座(6-3)的圆周开有深槽，该深槽中套装有内门极金属环(6-1)，内门极金属环(6-1)下端与深槽槽底之间设置有内弹性垫片(6-2)，内门极金属环(6-1)及其下方的内弹性垫片(6-2)的直径与内门极GA的直径相同，内门极金属环(6-1)上端面与GCT-A的内门极GA接触，每个凹槽一(6-3-1)与内门极引出端(6-4)上的一个辐条一内端套接；每个辐条一的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，每个辐条一宽度小于凹槽一(6-3-1)的宽度，使辐条一的内端头卡在凹槽一(6-3-1)内，各个辐条一的外端头连成一个半圆环作为内门极引出端(6-4)。
4.根据权利要求1所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的外门极套件(7)包括外环形绝缘座(7-3)，外环形绝缘座(7-3)的上端面设置有环形槽，环形槽中安装有外门极金属环(7-1)，外门极金属环(7-1)与环形槽槽底之间设置有外弹性垫片(7-2)，外门极金属环(7-1)及其下方的外弹性垫片(7-2)的直径与外门极GB的直径相同，外门极金属环(7-1)上端面与GCT-B的外门极GB接触；外环形绝缘座(7-3)主体直径一侧上沿均匀分布有多个凹槽二(7-3-1)，该直径另一侧下沿均匀分布有多个凹槽三(7-3-2)；凹槽二(7-3-1)中安装有外门极引出端(7-4)的辐条二，多个辐条二的截面均为矩形并呈辐射状均匀分布，且辐条二两端不在同一个平面内，弯曲成“Z”字形，辐条二宽度小于凹槽二(7-3-1)宽度，使辐条二内端头卡在凹槽二(7-3-1)内，各个辐条二的外端头连成一个半圆环作为外门极引出端(7-4)，将GCT-B的门极信号引出至管壳外围；外环形绝缘座(7-3)下方的凹槽三(7-3-2)与内门极引出端(6-4)上的辐条一套接并与凹槽一(6-3-1)沿径向一一对应，使辐条一的内端头压接在凹槽一(6-3-1)中，辐条一的外端头靠近半圆环处与凹槽三(7-3-2)相压接。
5.根据权利要求4所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的外环形绝缘座(7-3)上端面的结构是，与内环形绝缘座(6-3)相比，外环形绝缘座(7-3)上端面的环形槽较浅，且外环形绝缘座(7-3)的底部较厚。
6.根据权利要求1所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的外环形绝缘座(7-3)下端面的结构是，在较厚的实心底部与上端面凹槽二(7-3-1)对应的直径另一侧沿径向均匀分布多个凹槽三(7-3-2)，凹槽三(7-3-2)的深度小于外环形绝缘座(7-3)底部壁厚，且大于内门极引出端(6-4)的辐条一的厚度。
7.根据权利要求5所述的压接式双芯GCT的封装结构，其特征在于：所述的内环形绝缘座(6-3)和外环形绝缘座(7-3)均选用聚苯硫醚绝缘材料，内门极引出端(6-4)和外门极引出端(7-4)及其辐条均为金属材料。
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