CN109671686A - 一种压接型igbt的封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压接型IGBT的封装结构。该装置包括第一支撑片、散热装置、弹性元件、铜片和IGBT芯片结构；第一支撑片设置在散热装置上，用于支撑安装于压接型IGBT的封装结构上的电子器件；散热装置设置在第一支撑片与铜片之间，用于对IGBT芯片结构散热；弹性元件贯穿设置在散热装置内部，弹性元件一端与第一支撑片连接，另一端与铜片连接；弹性元件用于补偿IGBT芯片结构因发热产生的压力差；铜片设置在散热装置与IGBT芯片结构之间，铜片用于将IGBT芯片结构产生的热量传递至散热装置，还用于将弹性元件的弹力传递至IGBT芯片结构。本发明的装置，在实现IGBT芯片表面压力均匀分布的同时能有效的降低芯片表面温度，具有提高IGBT芯片寿命的优点。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT封装技术领域，特别是涉及一种压接型IGBT的封装结构。
背景技术
随着现代电力工业的迅速发展，电力电子功率器件也向着高电压和大功率的方向发展，其中在高压领域应用最广泛的就是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)器件，目前IGBT器件有焊接式和压接型两种，其中压接型IGBT器件其具有双面散热能力，高功率密度和可靠性，易于串联，且具有失效短路模式的优点，所以被广泛应用于智能电网等高压大功率电力系统领域。压接型IGBT通过压力将芯片压接在一起，芯片发热会导致热膨胀从而使得压力分布发生变化，压力分布发生变化又会使得芯片的电流密度发生变化从而影响芯片的发热，芯片表面的压力不均匀会导致部分芯片温度过高从而导致疲劳失效，同时芯片表面的温度过高也会导致部分芯片承受巨大的压力从而导致疲劳失效。由此可见芯片表面的压力分布和温度分布是影响芯片寿命的关键因素。
目前市场上有两种封装形式的IGBT，一种是弹簧式压接形式，一种是凸台式压接形式。弹簧式压接形式使芯片具有很好的压力分布，但是由于弹簧侧的散热效果不明显，使得这种压接形式是单面散热，凸台式压接形式是双面散热从而可以有效降低芯片温度但是芯片压力分布较不均匀。这两种封装形式的IGBT均会因芯片表面的温度分布或压力分布不均缩短芯片寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种压接型IGBT的封装结构，在实现IGBT芯片表面压力均匀分布的同时能有效的降低芯片表面温度，具有提高IGBT芯片寿命的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压接型IGBT的封装结构，包括：
第一支撑片、散热装置、弹性元件、铜片和IGBT芯片结构；
所述第一支撑片设置在所述散热装置上，所述第一支撑片用于支撑安装于所述压接型IGBT的封装结构上的电子器件；
所述散热装置设置在所述第一支撑片与所述铜片之间，所述散热装置用于对所述IGBT芯片结构散热；
所述弹性元件贯穿设置在所述散热装置内部，所述弹性元件一端与所述第一支撑片连接，另一端与所述铜片连接；所述弹性元件用于补偿IGBT芯片结构因发热产生的压力差；
所述铜片设置在所述散热装置与所述IGBT芯片结构之间，所述铜片用于将所述IGBT芯片结构产生的热量传递至所述散热装置，所述铜片还用于将所述弹性元件的弹力传递至所述IGBT芯片结构。
可选的，所述散热装置，具体包括：
散热壳体、第一散热板、第二散热板和多个通道；
所述第一散热板和所述第二散热板位于所述散热壳体内部；
所述第一散热板上设置有多个第一通孔；所述第二散热板上设置有多个第二通孔；所述第一通孔在所述第一散热板的位置与所述第二通孔在所述第二散热板的位置相同；所述通道一端连接所述第一通孔，所述通道的另一端连接与所述第一通孔位置对应的所述第二通孔；所述第一通孔的个数、所述第二通孔的个数、所述通道的个数均相同；所述弹性元件穿过所述通道一端与所述第一支撑片连接，另一端与所述IGBT芯片结构连接；
所述散热壳体包括散热壳体顶盖和散热壳体侧壁，所述散热壳体侧壁环绕在所述散热壳体顶盖的边缘；所述散热壳体顶盖中部设有一顶盖通孔，所述第一支撑片嵌入在所述顶盖通孔上；所述第一散热板设置在所述顶盖下表面，所述第一散热板的边缘与所述散热壳体的侧壁紧密贴合在一起；所述第二散热板的边缘与所述散热壳体的侧壁紧密贴合在一起；所述散热壳体的侧壁设有入水口和出水口；水流经过所述入水口进入所述第一散热板与所述第二散热板形成的空隙中，并从所述出水口流出。
可选的，所述弹性元件为弹簧。
可选的，所述IGBT芯片结构，具体包括：
IGBT芯片模块组、钼基底和铜基底；
所述IGBT芯片模块组设置在所述铜片表面；所述铜片用于作为所述IGBT芯片模块组的发射极；
所述钼基底设置在所述IGBT芯片模块组与所述铜基底之间，所述钼基底用于支撑所述IGBT芯片模块组；所述铜基底用于作为所述IGBT芯片模块组的集电极。
可选的，所述IGBT芯片结构，还包括：绝缘封装层；所述绝缘封装层设置在所述铜片与所述铜基底之间，并将所述IGBT芯片模块组和所述钼基底包围。
可选的，所述IGBT芯片模块组，具体包括：
多个IGBT芯片模块和多个FRD芯片模块；
所述IGBT芯片模块个数与所述FRD芯片模块个数之和与所述第一通孔的个数相同；每个所述IGBT芯片模块位置和每个所述FRD芯片模块位置均与所述第一通孔位置对应。
可选的，所述IGBT芯片模块，具体包括：
IGBT芯片、栅极探针、第二支撑片和IGBT芯片壳体；
所述IGBT芯片设置在所述IGBT芯片壳体内；所述栅极探针一端设置在所述IGBT芯片上，另一端设置在布设有PCB板的所述铜片表面上；所述第二支撑片设置在所述IGBT芯片与所述铜片之间，所述第二支撑片用于将压力均匀传递至所述IGBT芯片。
可选的，所述FRD芯片模块，具体包括：
FRD芯片、第三支撑片和FRD芯片壳体；
所述FRD芯片设置在所述FRD芯片壳体内；所述第三支撑片设置在所述FRD芯片与所述铜片之间，所述第三支撑片用于将压力均匀传递至所述FRD芯片。
可选的，所述第一支撑片、所述第二支撑片和所述第三支撑片的材质均为钼；
所述第一散热板、所述第二散热板和所述通道的材质为导热塑料；
所述散热壳体的材质为铝；
所述绝缘封装层的材质为陶瓷；
所述FRD芯片壳体的材质为塑料。
可选的，所述IGBT芯片壳体的材质为塑料；
所述铜片的厚度为1mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种压接型IGBT的封装结构，第一支撑片设置在所述散热装置上支撑安装于压接型IGBT的封装结构上的电子器件；散热装置设置在第一支撑片与铜片之间对IGBT芯片结构散热；弹性元件贯穿设置在散热装置内部，弹性元件一端与第一支撑片连接，另一端与铜片连接，补偿IGBT芯片结构因发热产生的压力差；铜片设置在散热装置与IGBT芯片结构之间，铜片用于将IGBT芯片结构产生的热量传递至散热装置，还用于将弹性元件的弹力传递至IGBT芯片结构。通过散热装置和铜片的设置，在使用弹性元件进行压接的同时能够对IGBT芯片结构双面散热，在实现IGBT芯片表面压力均匀分布的同时能有效的降低芯片表面温度，提高了IGBT芯片寿命。
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为本发明实施例中压接型IGBT的封装结构爆炸图；
图2为本发明实施例中散热装置的局部示意图；
图3为本发明实施例中IGBT芯片结构示意图；
图4为本发明实施例中IGBT芯片模块结构爆炸图；
图5为本发明实施例中FRD芯片模块结构爆炸图。
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。
本发明的目的是提供一种压接型IGBT的封装结构，在实现IGBT芯片表面压力均匀分布的同时能有效的降低芯片表面温度，具有提高IGBT芯片寿命的优点。
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为本发明实施例中压接型IGBT的封装结构爆炸图；
图2为本发明实施例中散热装置的局部示意图；
图3为本发明实施例中IGBT芯片结构示意图。
如图1-3所示，一种压接型IGBT的封装结构，包括：第一支撑片1、散热装置、弹性元件2、铜片11和IGBT芯片结构。第一支撑片1设置在散热装置上，第一支撑片1用于支撑安装于压接型IGBT的封装结构上的电子器件。散热装置设置在第一支撑片1与铜片11之间，散热装置用于对IGBT芯片结构散热。弹性元件2贯穿设置在散热装置内部，弹性元件2一端与第一支撑片1连接，另一端与铜片11连接；弹性元件2用于补偿IGBT芯片结构因发热产生的压力差。铜片11设置在散热装置与IGBT芯片结构之间，铜片11用于将IGBT芯片结构产生的热量传递至散热装置，铜片11还用于将弹性元件2的弹力传递至IGBT芯片结构。
其中，第一支撑片1为钼片，弹性元件2为弹簧。在压接型IGBT工作前，电子器件的压力直接施加在钼片上，此时弹簧产生形变；当压接型IGBT工作时，IGBT芯片的发热会产生很大的热应力，较大地热应力会使得压接型IGBT的集电极产生翘曲，使得IGBT芯片受到的压力发生变化，从而IGBT芯片的压力分布和温度分布会产生不均匀，从而影响芯片的寿命。本申请通过设置弹簧，由于弹簧受到的力与弹性形变成正比，在大的热应力作用下，弹簧产生形变从而使得芯片上面的压力与受到大的热应力之前的压力基本保持相同，芯片的压力分布和温度分布均匀。并且由于钼片的杨氏模量很大，产生的塑性形变极小，能够起到固定支撑安装于压接型IGBT的封装结构上的电子器件的作用。
铜片11的厚度为1mm。铜片11的作用有：A.可以起到传导电流的作用。B.利用铜导热系数大的优点，采用薄层铜片可以有效的把芯片的热量传递出去。C.因为铜片厚度很薄，而且铜的弹性模量较小，易发生变形，这样可以有效的将压力传递给弹簧，可以很好的进行压力补偿，使得芯片的压力分布均匀。
散热装置包括：散热壳体、第一散热板4、第二散热板5和多个通道6。第一散热板4和第二散热板5位于散热壳体内部。第一散热板4上设置有多个第一通孔7；第二散热板5上设置有多个第二通孔8；第一通孔7在第一散热板4的位置与第二通孔8在第二散热板5的位置相同。通道6一端连接第一通孔7，通道6的另一端连接与第一通孔7位置对应的第二通孔8。第一通孔7的个数、第二通孔8的个数、通道6的个数均相同。弹性元件2穿过通道6一端与第一支撑片1连接，另一端与IGBT芯片结构连接。
散热壳体包括散热壳体顶盖10和散热壳体侧壁3，散热壳体侧壁3环绕在散热壳体顶盖10的边缘；散热壳体顶盖10中部设有一顶盖通孔，第一支撑片1嵌入在顶盖通孔上。第一散热板4设置在顶盖10下表面，第一散热板4的边缘与散热壳体的侧壁3紧密贴合在一起；第二散热板5的边缘与散热壳体的侧壁3紧密贴合在一起。散热壳体的侧壁3设有入水口9和出水口(图中未示出)，水流经过入水口9进入第一散热板4与第二散热板5形成的空隙中，并从出水口流出。
散热壳体顶盖10和散热壳体侧壁3的材质为铝。第一散热板4、第二散热板5和通道6的材质为导热塑料。散热装置的主要作用有：A.将散热装置与自上而下的压接电路通路(电流→第一支撑片1→弹性元件2→铜片11)隔开，将散热装置独立于整体压接结构之外，起到了绝缘的作用，防止流过弹性元件2的电流通过散热装置产生漏电。B.通道6为上下贯通结构，这样可以保证弹性元件2直接压在下面的铜片11上面，有利于传递压力差，使得芯片压力均匀。C.第一散热板4、第二散热板5和通道6整体结构的高度比弹簧低5mm，且第一通孔7和第二通孔8直径比弹性元件2最长宽度长5mm，这样可以防止弹性元件2在形变的时候挤压到第一散热板4和第二散热板5结构对其造成的影响。D.第二散热板5下面的IGBT芯片结构可以有效的将热量传递到散热装置，降低芯片温度。
IGBT芯片结构包括：IGBT芯片模块组12、钼基底13、铜基底14和绝缘封装层(图中未示出)。铜片11覆盖在IGBT芯片模块组12上；铜片11用于作为IGBT芯片模块组12的发射极。钼基底13设置在IGBT芯片模块组12与铜基底14之间，钼基底13用于支撑IGBT芯片模块组12；铜基底14用于作为IGBT芯片模块组12的集电极。绝缘封装层设置在铜片11与铜基底14之间，并将IGBT芯片模块组12和钼基底13包围。绝缘封装层的材质为陶瓷。
IGBT芯片模块组12包括：多个IGBT芯片模块和多个FRD芯片模块。IGBT芯片模块个数与FRD芯片模块个数之和与第一通孔7的个数相同；每个IGBT芯片模块位置和每个FRD芯片模块位置均与第一通孔7位置对应。
图4为本发明实施例中IGBT芯片模块结构爆炸图，如图4所示，IGBT芯片模块包括：IGBT芯片15、栅极探针16、第二支撑片17和IGBT芯片壳体18。IGBT芯片15设置在IGBT芯片壳体18内；栅极探针16一端设置在IGBT芯片15上，另一端设置在布设有PCB板的铜片11下表面上；第二支撑片17设置在IGBT芯片15与铜片11之间，第二支撑片17用于将压力均匀传递至IGBT芯片15。
IGBT芯片壳体18的材质为塑料。第二支撑片17为钼片，第二支撑片17上表面与铜片11的下表面直接进行压接，IGBT芯片壳体18与钼基底13焊接在一起。由于第二支撑片17为钼片，钼片的杨氏模量较大，因此IGBT芯片15上钼片的作用为压力过渡的作用，使得施加在IGBT芯片15上面的压力有一个过渡过程，从而使IGBT芯片15表面均匀受力。同时钼的热膨胀系数与IGBT芯片15的热膨胀系数相近，这样可以保证在热膨胀情况下IGBT芯片15表面的热应力分布均匀。IGBT芯片壳体18的主要作用为限制IGBT芯片15的移动，并且能够起到固定栅极探针16的作用。
图5为本发明实施例中FRD芯片模块结构爆炸图，如图5所示，FRD芯片模块包括：FRD芯片19、第三支撑片21和FRD芯片壳体20。FRD芯片19设置在FRD芯片壳体20内；第三支撑片21设置在FRD芯片19与第一铜11片之间，第三支撑片21用于将压力传递至FRD芯片19。
FRD芯片壳体20的材质为塑料。第三支撑片21为钼片，第三支撑片21上表面与铜片11的下表面直接进行压接，FRD芯片壳体20与钼基底13焊接在一起。由于第三支撑片21为钼片，钼片的杨氏模量较大，因此FRD芯片19上钼片的作用为压力过渡的作用，使得施加在FRD芯片19上面的压力有一个过渡过程，从而使FRD芯片19表面均匀受力。同时钼的热膨胀系数与FRD芯片19的热膨胀系数相近，这样可以保证在热膨胀情况下FRD芯片19表面的热应力分布均匀。FRD芯片壳体20的主要作用为限制FRD芯片19的移动。
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 (10)
1.一种压接型IGBT的封装结构，其特征在于，包括：
第一支撑片、散热装置、弹性元件、铜片和IGBT芯片结构；
所述第一支撑片设置在所述散热装置上，所述第一支撑片用于支撑安装于所述压接型IGBT的封装结构上的电子器件；
所述散热装置设置在所述第一支撑片与所述铜片之间，所述散热装置用于对所述IGBT芯片结构散热；
所述弹性元件贯穿设置在所述散热装置内部，所述弹性元件一端与所述第一支撑片连接，另一端与所述铜片连接；所述弹性元件用于补偿IGBT芯片结构因发热产生的压力差；
所述铜片设置在所述散热装置与所述IGBT芯片结构之间，所述铜片用于将所述IGBT芯片结构产生的热量传递至所述散热装置，所述铜片还用于将所述弹性元件的弹力传递至所述IGBT芯片结构。
2.根据权利要求1所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述散热装置，具体包括：
散热壳体、第一散热板、第二散热板和多个通道；
所述第一散热板和所述第二散热板位于所述散热壳体内部；
所述第一散热板上设置有多个第一通孔；所述第二散热板上设置有多个第二通孔；所述第一通孔在所述第一散热板的位置与所述第二通孔在所述第二散热板的位置相同；所述通道一端连接所述第一通孔，所述通道的另一端连接与所述第一通孔位置对应的所述第二通孔；所述第一通孔的个数、所述第二通孔的个数、所述通道的个数均相同；所述弹性元件穿过所述通道一端与所述第一支撑片连接，另一端与所述IGBT芯片结构连接；
所述散热壳体包括散热壳体顶盖和散热壳体侧壁，所述散热壳体侧壁环绕在所述散热壳体顶盖的边缘；所述散热壳体顶盖中部设有一顶盖通孔，所述第一支撑片嵌入在所述顶盖通孔上；所述第一散热板设置在所述顶盖下表面，所述第一散热板的边缘与所述散热壳体的侧壁紧密贴合在一起；所述第二散热板的边缘与所述散热壳体的侧壁紧密贴合在一起；所述散热壳体的侧壁设有入水口和出水口；水流经过所述入水口进入所述第一散热板与所述第二散热板形成的空隙中，并从所述出水口流出。
3.根据权利要求1所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述弹性元件为弹簧。
4.根据权利要求2所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片结构，具体包括：
IGBT芯片模块组、钼基底和铜基底；
所述IGBT芯片模块组设置在所述铜片表面；所述铜片用于作为所述IGBT芯片模块组的发射极；
所述钼基底设置在所述IGBT芯片模块组与所述铜基底之间，所述钼基底用于支撑所述IGBT芯片模块组；所述铜基底用于作为所述IGBT芯片模块组的集电极。
5.根据权利要求4所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片结构，还包括：绝缘封装层；所述绝缘封装层设置在所述铜片与所述铜基底之间，并将所述IGBT芯片模块组和所述钼基底包围。
6.根据权利要求4或5所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片模块组，具体包括：
多个IGBT芯片模块和多个FRD芯片模块；
所述IGBT芯片模块个数与所述FRD芯片模块个数之和与所述第一通孔的个数相同；每个所述IGBT芯片模块位置和每个所述FRD芯片模块位置均与所述第一通孔位置对应。
7.根据权利要求6所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片模块，具体包括：
IGBT芯片、栅极探针、第二支撑片和IGBT芯片壳体；
所述IGBT芯片设置在所述IGBT芯片壳体内；所述栅极探针一端设置在所述IGBT芯片上，另一端设置在布设有PCB板的所述铜片表面上；所述第二支撑片设置在所述IGBT芯片与所述铜片之间，所述第二支撑片用于将压力均匀传递至所述IGBT芯片。
8.根据权利要求6所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，所述FRD芯片模块，具体包括：
FRD芯片、第三支撑片和FRD芯片壳体；
所述FRD芯片设置在所述FRD芯片壳体内；所述第三支撑片设置在所述FRD芯片与所述铜片之间，所述第三支撑片用于将压力均匀传递至所述FRD芯片。
9.根据权利要求8所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，
所述第一支撑片、所述第二支撑片和所述第三支撑片的材质均为钼；
所述第一散热板、所述第二散热板和所述通道的材质为导热塑料；
所述散热壳体的材质为铝；
所述绝缘封装层的材质为陶瓷；
所述FRD芯片壳体的材质为塑料。
10.根据权利要求7所述的压接型IGBT的封装结构，其特征在于，
所述IGBT芯片壳体的材质为塑料；
所述铜片的厚度为1mm。
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