CN110676233A - 一种压接式功率开关模块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种压接式功率开关模块，其特征在于，包括：上端板，下端板，PCB板，以及位于上端板及下端板之间的至少一个子单元，所述子单元包括：支撑框架，以及位于支撑框架内部由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片；所述支撑框架包括金属框架，以及包覆于金属框架外的绝缘层。本发明避免了压接器件内多个子弹元芯片之间电流干扰严重的技术问题，增大了功率器件的安全工作区，提高了各子弹元间的均流性能。

Description

一种压接式功率开关模块及其制备方法
技术领域
半导体封装领域，具体涉及电力电子器件的封装技术
背景技术
在传统的焊接式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。
压接式IGBT由于是通过压力将各个子模块并联压接在一起，子模块的数目比较多并且排布非常密集。各个子模块的导电路径电磁干扰非常强，会产生严重的电流不均匀性，外部芯片的电流会大于内部芯片。导致部分芯片电流密度过大，在器件处于临界工作状态时，部分芯片可能已经超出负荷，非常容易发生器件失效。
发明内容
为克服现有技术的不足，避免压接器件内多个子弹元芯片之间电流干扰严重的技术问题，增大功率区间的安全工作区，提高均流性能，本发明提出：
一种压接式功率开关模块，包括：上端板，下端板，PCB板，以及位于上端板及下端板之间的至少一个子单元，所述子单元包括：支撑框架，以及位于支撑框架内部由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片；所述支撑框架包括金属框架，以及包覆于金属框架外的绝缘层。
优选的，所述金属框架厚度为2mm-4mm；所述绝缘层厚度至少为2mm；所述支撑框架与所述功率开关芯片间距为4mm-8mm。
优选的，所述金属框架的材料为高导电金属材料，所述绝缘层材料为环氧树脂，硅胶。
优选的，所述金属框架为四面均匀厚度的板结构或均匀排列的网格结构。
优选的，所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述PCB板表面涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
一种压接式功率开关模块制备方法，包括：
S1烧结连接由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片，形成子单元预制件；
S2制备支撑框架，所述支撑框架包括金属框架，在所述金属框架外涂覆绝缘层；
S3将支撑框架及子弹元预制件置于模具内，所述模具底部包括垂直设置的至少一根可收缩顶针，所述可收缩顶针用于支撑所述支撑框架；所述子弹元预制件位于所述支撑框架内；
S4塑封所述子单元预制件及所述支撑框架，获得子单元；
S5压接上端板，至少一个子单元，下端板，PCB板，形成所述压接式功率开关模块。
优选的，所述S4塑封包括：
S4.1在模具中注入绝缘材料；
S4.2在绝缘材料凝固之前，抽出所述可收缩顶针，在模具内形成子单元。
优选的，所述金属框架厚度为2mm-4mm；所述绝缘层厚度至少为2mm；所述支撑框架与所述功率开关芯片间距为4mm-8mm。
优选的，所述至少一个可收缩顶针高度相等。
优选的，所述S5包括：所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述PCB板表面涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
本发明的压接式功率开关模块及其制备方法，改进了传统的采用树脂等绝缘材料制备的支撑框架结构，在绝缘外壳中嵌入金属框架，并通过可收缩顶针实现模具内支撑框架及芯片的定位及塑封一体。本发明利用金属框架形成内部屏蔽区，保证各个子弹元的芯片产生的电磁场互不干扰，降低互感参数，增大了功率器件的安全工作区，提高了各子弹元间的均流性能。
附图说明
图1为实施例一提供的子弹元结构透视图
图2为实施例一提供的子弹元结构图
图3为实施例一提供的压接式功率开关模块示意图
图4为实施例一提供的压接式功率开关模块制备方法流程图
图5为现有技术的压接式功率开关模块电流分布图
图6为实施例一提供的的压接式功率开关模块电流分布图
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供一种压接式功率开关模块，如图1-6所示，包括：上端板，下端板1，PCB板，以及位于上端板及下端板之间的至少一个子单元2，所述子单元包括：支撑框架3，以及位于支撑框架内部由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片；所述支撑框架包括金属框架，以及包覆于金属框架外的绝缘层。
所述金属框架厚度为2mm-4mm；所述绝缘层厚度至少为2mm，上下空隙不超过2mm；所述支撑框架与所述功率开关芯片间距为4mm-8mm。不同面厚度及结构需要均匀设置，网格比板型的屏蔽效果相对较差。
所述金属框架的材料为高导电金属材料，如铜，所述绝缘层材料为环氧树脂，硅胶。
所述金属框架为四面均匀厚度的板结构或均匀排列的网格结构。
所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述上端板的下表面及下端板的上表面涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
一种压接式功率开关模块制备方法，包括：
S1烧结连接由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片，形成子单元预制件6；
S2制备支撑框架3，所述支撑框架3包括金属框架，在所述金属框架外涂覆绝缘层；
S3如图4(1)所示，将支撑框架3及子弹元预制件6置于模具4内，所述模具底部包括垂直设置的至少一根收缩顶针5，所述可收缩顶针5用于支撑所述支撑框架3；所述子弹元预制件6位于所述支撑框架内；
S4塑封所述子单元预制件及所述支撑框架，获得子单元：
S4.1如图4(2)所示，在模具中注入绝缘材料7，所述绝缘材料7填充所述模具4与支撑框架3的间隔，以及子弹元预制件6与支撑框架3的间隔；
S4.2如图4(3)所示，在绝缘材料7即将充满模具及凝固之前，抽出所述可收缩顶针5，采用塑封料填满模具内缝隙，在模具内形成子单元，如图4(4)所示。待绝缘材料完全凝固后，移/切除位于绝缘材料外的模具4，获得子弹元，如图4(5)所示。
S5压接上端板，至少一个子单元，下端板，PCB板，形成所述压接式功率开关模块。所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述PCB板涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
所述支撑框架的四面均匀设置，所述至少一个可收缩顶针5高度相等；所述芯片预制件的下表面通过钼片与所述模具直接接触。
传统功率子模块包括由下至上依次压接的导电银片、底部钼片、半导体芯片和顶部钼片；导电银片的下表面与凸台的上表面压接，顶部钼片的上表面与上端金属电极的内侧面压接；IGBT功率子模块的半导体芯片为绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片及二极管Diode芯片。IGBT功率子模块通过设于凸台之间的PCB板电气相连；所述PCB板的上、下表面分别涂覆有金属层，金属层之间通过绝缘材料电气隔离；上、下表面的金属层宽度小于对应的PCB板宽度，以使凸台之间电气隔离；连接外部驱动电路的接线端子分别经所述上、下表面的金属层引出。然而传统压接封装下芯片间距太小，互相之间有非常强的临近效应，电磁干扰特别强，及易造成外部芯片比内部芯片大的结果，传统押解封装电流密度分布情况如图5所示。图6为采用2mm厚度环氧树脂完全包覆2mm厚度铜板框架作为支撑框架，铜板框架与芯片间距4mm的支撑框架结构的功率开关模块的电流密度分布情况，其中，颜色越深的区域电流密度越大，本发明明显减少了位于边缘的子弹元由于电磁干扰影响带来的过大的电流密度，平衡了各子弹元电流分布，有效的降低了电磁干扰。
综上，本发明可获得如下技术效果：
(1)本发明改进了传统的采用树脂等绝缘材料制备的支撑框架结构，在绝缘外壳中嵌入金属框架，并通过可收缩顶针实现模具内支撑框架及芯片的定位及塑封一体，该外壳能有效的屏蔽电磁场，使得各个独立的芯片之间不受干扰，经过铜框架的保护，各个芯片的均流性能大大的提高。
(2)本发明可改善压接式功率开关模块的凸台在功率开关开关瞬态过程中，部分芯片电流过冲太大的问题，降低电磁干扰，提高器件的可靠性，增大安全工作区。
(3)本发明有效降低了各个功率子模块所在支路的互感参数，具有更好的均流效果，降低了IGBT功率子模块在开通瞬态过程中电流过冲的问题。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (10)

1.一种压接式功率开关模块，其特征在于，包括：上端板，下端板，PCB板，以及位于上端板及下端板之间的至少一个子单元，所述子单元包括：支撑框架，以及位于支撑框架内部由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片；所述支撑框架包括金属框架，以及包覆于金属框架外的绝缘层。
2.一种根据权利要求1所述压接式功率开关模块，其特征在于，所述金属框架厚度为2mm-4mm；所述绝缘层厚度至少为2mm；所述支撑框架与所述功率开关芯片间距为4mm-8mm。
3.一种根据权利要求1所述压接式功率开关模块，其特征在于，所述金属框架的材料为高导电金属材料，所述绝缘层材料为环氧树脂，硅胶。
4.一种根据权利要求1所述压接式功率开关模块，其特征在于，所述金属框架为四面均匀厚度的板结构或均匀排列的网格结构。
5.一种根据权利要求1-4所述压接式功率开关模块，其特征在于，所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述PCB板表面涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
6.一种压接式功率开关模块制备方法，其特征在于，包括：
S1烧结连接由下自上设置的导电金属片，第一钼片，功率开关芯片，以及第二钼片，形成子单元预制件；
S2制备支撑框架，所述支撑框架包括金属框架，及包覆于金属框架外的绝缘层；S3将支撑框架及子弹元预制件置于模具内，所述模具底部包括垂直设置的至少一根可收缩顶针，所述收缩顶针用于支撑所述支撑框架；所述子弹元预制件位于所述支撑框架内；
S4塑封所述子单元预制件及所述支撑框架，获得子单元；
S5压接上端板，至少一个子单元，下端板，及PCB板，形成所述压接式功率开关模块。
7.一种根据权利要求6所述压接式功率开关模块制备方法，其特征在于，所述S4塑封包括：
S4.1在模具中注入绝缘材料；
S4.2在绝缘材料凝固之前，抽出所述可收缩顶针，在模具内形成子单元。
8.一种根据权利要求6所述压接式功率开关模块制备方法，其特征在于，所述金属框架厚度为2mm-4mm；所述绝缘层厚度至少为2mm；所述支撑框架与所述功率开关芯片间距为4mm-8mm。
9.一种根据权利要求6所述压接式功率开关模块制备方法，其特征在于，所述可收缩顶针高度相等。
10.一种根据权利要求6-9所述压接式功率开关模块制备方法，其特征在于，所述S5包括：所述导电金属片下表面与所述下端板的凸台上表面压接，所述第二钼片上表面与所上端板下表面的金属电极压接，所述PCB板表面涂覆间断设置的金属层，所述间断设置的金属层之间设置用于隔离的绝缘区。
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