CN110265385B - 一种功率器件的封装结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及IGBT器件压接封装领域，本发明的压接式的功率器件的封装结构包括上端盖、下端盖、绝缘外壳、底座阵列、密封壳、液态金属、IGBT子单元和联通槽。其中所述上端盖及所述下端盖将所述绝缘外壳夹于中间，形成一个腔体。所述下盖板上的底座阵列包括多个底座，分成多组，每组所述底座通过联通槽相互连通。在每个底座和联通槽里填充有液态金属，所述液态金属既作为IGBT子单元的功率端导体，又能够给所述IGBT子单元提供垂直方向的移动空间，用于吸收多余的垂直压力。本发明还提供了该封装结构的制造方法。由于液态金属的应用，本发明免去了过大的垂直压力带来的芯片压坏等潜在风险，并能够实现双面散热。

Description

一种功率器件的封装结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件封装领域，尤其涉及IGBT器件压接封装领域。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)的高输入阻抗和GTR(电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
目前市面上对于单个IGBT的封装技术已经非常成熟，并使用于轨道交通，航空航天到白色家电等各项领域，取得了卓越的成效。然而当涉及智能电网等超大功率领域时，往往单个IGBT无法胜任，需大量IGBT的合理串并联来匹配所需的电压和电流需求。但如果没有一个合理的封装结构、电路布局及合适的工艺技术支撑，往往会因为电流不均，散热不佳，模块可靠性不够等因素无法获取理想的效果。
在现有的封装结构中的焊接式IGBT内部，线路的杂散参数较大，关断的过程中会产生很大的电压尖峰并伴随着一定的电磁干扰。当电力系统对功率等级提出更高的要求，需要更多的芯片并联时，将进一步增大芯片栅极、发射极、集电极的寄生参数及其差异性，加剧了电压过冲、增大了开关损耗，并导致电流极大的不均衡，从而降低了器件的可靠性。相比于焊接式IGBT，压接式具有高电压、大电流、杂散电感低、开关速度快、可双面散热等优势。因此压接式IGBT已经成为高压直流输电中半导体器件的主流选择。
与传统的焊接式IGBT相比，压接式IGBT利用压力实现热力学和电气的连接，并保证了一定意义上的双面散热。压接式IBGT器件的功率循环能力很强，远优于焊接式IGBT模块。因此，压接式IGBT器件的典型应用就是需要大量功率循环过程的感应加热、公共交通、高压直流输电(HVDC)、有源无功控制器及中压牵引系统。压接式IGBT还与传统的压接式晶间管或GTO在结构上有很好的兼容性。因此，用这类压接式IGBT对已有的晶间管系统进行升级改造也十分方便，不需要对原有结构进行大规模的重新设计。由于封装形式的差异，压接式IGBT和焊接式IGBT模块在很多特性上有较大差异。
目前市场上主流的压接式IGBT结构主要分为刚性压接结构和弹性压接结构。刚性压接结构的代表厂家为Westcode及东芝，弹性压接结构的代表厂家为ABB。
Westcode的Press-pack IGBT压接结构为芯片上下侧两面均为压接结构，直至上下端盖，这种结构的优点是器件可实现双面散热，总片上下两面有近乎相等的热量导出，器件的整体热阻较小，但因为竖直方向上全部为硬压接结构，器件进行压装时芯片承受所有压装力，容易产生圧力分布不均而导致单芯片所受应力过大的问题。因此这种压接结构在加工过程中需要保证极高的加工精度。Westcode的压接型IGBT外形与普通压接型晶间管无异，内部结构形式为栅格装分布。IGBT芯片与二极管芯片先分别封装在安装子模块中，然后将芯片念与子模块进行装配，装配时利用弹性销钉与门极导线连接将门极引出，将芯片瓷与封装壳体组合完成整体封装。封装结构中不存在任何钎焊及键合，所有电气连接均由封装压力完成。
ABB结构为弹性压接，芯片下侧面与基板烧结在一起，另一侧为弹簧压接结构，并通过叠簧结构与上端盖接触。叠簧结构的使用使得器件拥有保护芯片的优点，即在压装力过大时多余的压力会由器件的外壳承担，芯片所受力只与叠簧可被压缩长度有关，但因叠簧的存在，热量基本上只能通过下侧面导出，使得芯片上侧面的导热能力较差，不利于散热。
即便如此压接式IGBT模块仍然是当前比较主流的大功率IGBT的封装形式。它免去了芯片之间的引线键合，利用上下两侧导电金属面板直接贴近芯片集电极发射极两端的模式实现了更为可靠的连接性。但与此同时在贴合压力的选择和控制其均匀性上带来了巨大的工艺挑战：
一.芯片往往会因为垂直方向过大的贴合压力造成损坏，封装难度加大。
二.为了实现内部子芯片和上下两个金属面板之间的连接，首先会使用上下烧结钼片的方式做媒介。此时钼片的厚度均匀性，烧结材料的厚度均匀性，乃至芯片本身的厚度均匀性都影响着子模块高度的一致性，如中国发明专利申请CN 108183090 A(一种芯片独立成型的压接式IGBT模块及制备方法)所述，这些子模块在压接组装时又会带来新的均匀压力的挑战，参见图1。
发明内容
为了解决现有技术中的存在的上述问题，一方面，本发明设计了一种压接式的功率器件的封装结构，包括上端盖、下端盖、绝缘外壳、底座阵列、密封壳、液态金属、IGBT子单元和联通槽；
其中，所述上端盖及所述下端盖将所述绝缘外壳夹于中间，形成一个腔体；在所述腔体中，在所述下盖板上形成有所述底座阵列；其中，多个所述底座通过所述联通槽相互连通，形成一组相互连通的底座，多组所述相互连通的底座并排排列，形成所述底座阵列；每个所述底座上安装有所述密封壳；在每组相互连通的所述底座里以及所述联通槽里填充有所述液态金属，由所述液态金属将每组的所述底座连通；在每个所述底座内的所述液态金属上放置所述IGBT子单元；所述液态金属既作为IGBT子单元的功率端的导体，又能够给所述IGBT子单元提供垂直方向的移动空间。
优选地，所述封装结构还具有栅极引线框架，安装于所述底座阵列上，每个所述IGBT子单元与所述栅极引线框架中的一根栅极引线相连接，所述栅极引线框架中的栅极总引线穿过所述绝缘外壳并伸出所述腔体外。
优选地，所述密封壳在确保良好的密封性的同时能够上下移动，并且各个所述IGBT子单元有不同的位置高度。
优选地，所述上端盖和所述下端盖为金属盖板，并作为所述封装结构的功率端。
优选地，所述绝缘外壳为陶瓷绝缘外壳。
优选地，所述液态金属为汞或镓铟锡合金。
另一方面，本发明提供一种IGBT功率器件封装结构的制造方法，包括以下步骤：
第一步：安装底座：在下端盖上安装多个底座，所述多个底座分为多组，每组所述底座由联通槽相互连通，所述多组底座并排排列形成底座阵列；
第二步：安装密封壳：把在每个所述底座上分别安装密封壳；
第三步：填充液态金属：在各组相互连通的所述底座里以及所述联通槽里填充液态金属，由所述液态金属将每组的所述底座连通；
第四步：放置IGBT子单元：把IGBT子单元放置于每个所述底座内的所述液态金属上；
第五步：安装栅极引线框架：将所述栅极引线框架安装于所述底座阵列上，每个所述IGBT子单元与所述栅极引线框架中的一根栅极引线相连接，并将所述栅极引线框架中的栅极总引线引出；
第六步：安装绝缘外壳：将绝缘外壳安装于下端盖侧面周围，将所述底座阵列围于所述绝缘外壳内，其中所述栅极总引线穿过并伸出所述绝缘外壳；
第七步：安装上端盖：将上端盖安装于所述绝缘外壳的上部，所述上端盖、所述下端盖将所述绝缘外壳夹设于中间，形成腔体，将所述底座阵列以及所述IGBT子单元封装于所述腔体中。
本发明的基于液态金属的功率模块封装结构与传统模式相比，由于引进了液态金属作为IGBT子单元的功率端的连接导体，有着以下几点优势：
1.保持了由压接工艺带来的各项优势，与此同时，由液态金属将多个底座中的IGBT子单元连接，所述液态金属在导电、导热的同时，能够吸收多余的垂直压力，起缓冲作用，从而保护IGBT子单元，免去了过大的垂直压力带来的芯片压坏等潜在风险。
2.相比引进弹簧结构的点或线接触，液态金属导体与IGBT子单元实现面接触，从而确保了更好的散热优势，实现了真正意义的双面散热。
附图说明
图1为现有技术。
图2为本发明的功率器件封装结构的去掉上端盖的结构示意图。
图3为本发明的功率器件封装结构的外部示意图。
图4(a)-图4(f)为本发明的IGBT功率器件封装结构的制造方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明。
在一优选实施例中，如图2和图3所示，本发明提供一种基于液态金属的功率器件封装结构，包括上端盖1、下端盖2、绝缘外壳3、底座阵列4、密封壳5、液态金属6、IGBT子单元7、栅极引线框架8和联通槽9。
上端盖1及下端盖2为两个金属盖板，作为所述封装结构的功率端，将绝缘外壳3夹于中间，形成一个腔体。该腔体中，在下盖板2上形成有多个底座401，其中，与所需IGBT子单元个数相同的底座401通过联通槽9相互连通，多组相互连通的底座401并排排列，形成底座阵列4。每个底座401上安装有具有螺纹密封功能的密封壳5，密封壳5在确保良好的密封性的同时也能够上下移动。
在各组互相连通的底座401里填充有液态金属6，在联通槽9里也填充有液态金属6，液态金属6将组内的多个底座401导通。在每个底座401内，液态金属6上放置有IGBT子单元7。所述液态金属6具有导电性，其作为IGBT子单元7的功率端的导体，同时，液态金属6还能够给IGBT子单元提供垂直方向的移动空间，吸收来自垂直方向的多余的压力，为IGBT子单元提供缓冲，从而保护IGBT子单元，免去了过大的垂直压力带来的芯片压坏等潜在风险。并且液态金属6导热性能好，确保了更好的散热优势，有利于实现真正意义的双面散热。
同时，由于密封壳5能够上下移动，确保了各个IGBT子单元7都能有不同的位置高度。
栅极引线框架8安装于底座阵列4上，每个IGBT子单元与栅极引线框架8中的一根栅极引线相连接，栅极总引线穿过绝缘外壳3伸出腔体外。
其中，绝缘外壳3可以为陶瓷绝缘外壳。液态金属6可以为汞或镓铟锡合金。
在另一优选实施例中，如图4(a)-图4(f)所示，提供一种如本发明所述的IGBT功率器件封装结构的制造方法，包括以下步骤：
第一步：安装底座：如图4(a)所示，在金属下端盖上安装多个底座，所述多个底座分为多组，每组所述底座由联通槽相互连通，所述多组底座并排排列形成底座阵列。
第二步：安装密封壳：如图4(b)所示，把多个具有螺纹密封功能的密封壳安装在每个底座上，密封壳在确保良好的密封性的同时能够上下移动。
第三步：填充液态金属：如图4(b)所示，在各组互相连通的底座里以及联通槽里均填充液态金属，由所述液态金属将每组的所述底座连通；
第四步：放置IGBT子单元：如图4(c)所示，把每个IGBT子单元放置于每个所述底座内的所述液态金属上，上下移动的密封壳以及液态金属为每个IGBT子单元提供了垂直方向的移动空间，确保了各个IGBT子单元都能有不同的位置高度。
第五步：安装栅极引线框架：如图4(d)所示，将所述栅极引线框架安装于所述底座阵列上，每个所述IGBT子单元与所述栅极引线框架中的一根栅极引线相连接，并将所述栅极引线框架中的栅极总引线引出。
第六步：安装陶瓷绝缘外壳：如图4(e)所示，将陶瓷绝缘外壳安装于下端盖侧面周围，将底座阵列围于所述绝缘外壳内，其中所述栅极总引线穿过并伸出所述陶瓷绝缘外壳。
第七步：安装上端盖：如图4(f)所示，将金属上端盖安装于所述陶瓷绝缘外壳上部，上端盖、下端盖将陶瓷绝缘外壳夹设于中间，形成腔体，将底座阵列以及IGBT子单元封装于所述腔体中，并完成最终压接组装。
与传统的压接式IGBT功率器件的封装结构相比，本发明利用液态金属的导电性，采用液态金属作为IGBT子单元的功率端导体，利用联通槽中的液态金属将多个IGBT子单元连通，免去了芯片之间的连接线；同时，液态金属能够作为缓冲，吸收垂直方向的压力，从而保护IGBT子单元，避免芯片在垂直方向上受到过大的贴合压力而造成的损坏，降低了封装难度；并且由于液态金属的良好的导热性能，由液态金属作为连接部分，确保了更好的散热，实现了真正意义的双面散热。
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的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种功率器件的封装结构，包括上端盖、下端盖、绝缘外壳、底座阵列、密封壳、液态金属、IGBT子单元和联通槽；
其中，所述上端盖及所述下端盖将所述绝缘外壳夹于中间，形成一个腔体；在所述腔体中，在所述下端盖上形成有所述底座阵列；其中，多个底座通过所述联通槽相互连通，形成一组相互连通的底座，多组所述相互连通的底座并排排列，形成所述底座阵列；每个所述底座上安装有所述密封壳；在每组相互连通的所述底座里以及所述联通槽里填充有所述液态金属，由所述液态金属将每组的所述底座连通；在每个所述底座内的所述液态金属上放置所述IGBT子单元；所述液态金属既作为IGBT子单元的功率端的导体，又能够给所述IGBT子单元提供垂直方向的移动空间。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构还具有栅极引线框架，安装于所述底座阵列上，每个所述IGBT子单元与所述栅极引线框架中的一根栅极引线相连接，所述栅极引线框架中的栅极总引线穿过所述绝缘外壳并伸出所述腔体外。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述密封壳在确保良好的密封性的同时能够上下移动，并且各个所述IGBT子单元有不同的位置高度。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述上端盖和所述下端盖为金属盖板，并作为所述封装结构的功率端。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述绝缘外壳为陶瓷绝缘外壳。
6.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述液态金属为汞或镓铟锡合金。
7.一种功率器件封装结构的制造方法，包括以下步骤：
第一步：安装底座：在下端盖上安装多个底座，所述多个底座分为多组，每组所述底座由联通槽相互连通，所述多组底座并排排列形成底座阵列；
第二步：安装密封壳：把在每个所述底座上分别安装密封壳；
第三步：填充液态金属：在各组相互连通的所述底座里以及所述联通槽里填充液态金属，由所述液态金属将每组的所述底座连通；
第四步：放置IGBT子单元：把IGBT子单元放置于每个所述底座内的所述液态金属上；
第五步：安装栅极引线框架：将所述栅极引线框架安装于所述底座阵列上，每个所述IGBT子单元与所述栅极引线框架中的一根栅极引线相连接，并将所述栅极引线框架中的栅极总引线引出；
第六步：安装绝缘外壳：将绝缘外壳安装于下端盖侧面周围，将所述底座阵列围于所述绝缘外壳内，其中所述栅极总引线穿过并伸出所述绝缘外壳；
第七步：安装上端盖：将上端盖安装于所述绝缘外壳的上部，所述上端盖、所述下端盖将所述绝缘外壳夹设于中间，形成腔体，将所述底座阵列以及所述IGBT子单元封装于所述腔体中。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述上端盖和所述下端盖为金属盖板，并作为所述封装结构的功率端。
9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述密封壳在确保良好的密封性的同时能够上下移动，使得每个所述IGBT子单元有不同的位置高度。
10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述绝缘外壳为陶瓷绝缘外壳。
11.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述液态金属为汞或镓铟锡合金。
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