CN111081642A - 一种压接型功率器件封装结构和封装方法 - Google Patents

一种压接型功率器件封装结构和封装方法 Download PDF

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孙鹏
张文婷
田丽欣
杜玉杰
李金元
赵志斌
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Abstract

本发明提供一种压接型功率器件封装结构和封装方法，封装结构包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件；分体式管壳包括上封接件(2)和下封接件(1)，所述上封接件(2)和下封接件(1)之间形成密闭腔体；压接型功率器件(5)下表面与下封接件(1)的底部固定，其上表面上封接件(2)的底部固定；分体式管壳内充斥绝缘介质。本发明采用绝缘油或者绝缘气体作为绝缘介质，能够通过绝缘介质提高了功率器件的耐压能力；上封接件和下封接件通过冷压焊接形式固定，在管壳内部形成了密封腔体，大大提高了分体式管壳的密封性能和绝缘可靠性；本发明还提高了封装结构的散热性能和散热效率。

Description

一种压接型功率器件封装结构和封装方法
技术领域
本发明涉及高压半导体封装技术，具体涉及一种压接型功率器件封装结构和封装方法。
背景技术
随着高压功率半导体器件在电力系统中的广泛使用，电力系统及其关键装备逐渐向着智能化、安全化和灵活化发展，远距离的高压直流输电和柔性交流输电也渐渐得到推广应用。高压直流断路器、电力电子变压器等关键装备也对核心的功率器件提出了更高的要求，耐压更高、通流能力更强、可靠性更高成为了大功率电力电子器件研究的必然趋势。
大功率电力电子器件的封装形式现在主要有焊接型封装和压接型封装，焊接型封装虽然封装布局更为灵活，相关的封装工艺也更为成熟，但受限于所采用的键合线和DBC板的电气互联方式，很难做到芯片大规模并联成组，这也限制了焊接型器件在大电流领域的应用。而压接型封装虽然容易进行功率芯片的大规模并联成组，但并联组件之间微小的误差都可能导致并联芯片承压的不均，进而导致电流分布和温度分布的不均，这对于压接型器件长期运行的可靠性来说是巨大的挑战。现有技术一般采用弹簧进行并联支路的电气连接的弹性压接型封装，利用分立的弹簧释放了压力分布的不均，并在管壳内部填充有机硅凝胶进行高压绝缘。然而，有机硅凝胶在制备和填充的过程中极易产生大小不均的气泡，气泡作为绝缘缺陷威胁功率器件的耐压能力，而有机硅凝胶也会通过从未密闭的管壳从外界吸收水气，导致封装结构长期绝缘可靠性低。另外，虽然在一定压力作用下弹簧组件和功率芯片可以实现有效的电气连接，但接触面的接触电阻和接触热阻均较大，导致封装结构整体的散热性能差。
发明内容
为了克服上述现有技术中封装结构长期绝缘可靠性低且散热性能差的不足，本发明提供一种压接型功率器件封装结构，包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件(5)；分体式管壳包括上封接件(2)和下封接件(1)，所述上封接件(2)和下封接件(1)之间形成密闭腔体；压接型功率器件(5)下表面与下封接件(1)的底部固定，其上表面上封接件(2)的底部固定；分体式管壳内充斥绝缘介质，通过绝缘介质提高了功率器件的耐压能力，且封装结构的长期绝缘可靠性高。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种压接型功率器件封装结构，包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件(5)；
所述分体式管壳包括上封接件(2)和下封接件(1)，所述上封接件(2)和下封接件(1)之间形成密闭腔体；
所述压接型功率器件(5)下表面与下封接件(1)的底部固定，其上表面上封接件(2)的底部固定；
所述分体式管壳内充斥绝缘介质。
所述封装结构还包括第一钼片(8)和弹簧组件(3)；
所述第一钼片(8)和弹簧组件(3)均位于上封接件(2)和压接型功率器件(5)之间，且所述第一钼片(8)位于弹簧组件(3)底部。
所述绝缘介质为绝缘气体或绝缘油。
所述下封接件(1)包括侧板和底板；
所述侧板为陶瓷板，所述底板为第二钼片。
所述弹簧组件(3)包括弹簧(9)、工字型连接杆(7)和接触单元(4)；
所述接触单元(4)为桶状；
所述弹簧(9)套在工字型连接杆(7)上，所述工字型连接杆(7)上端位于接触单元(4)内，其下端与第一钼片(8)固定，所述接触单元(4)的顶部与上封接件(2)的底部固定。
所述压接型功率器件(5)与第一钼片(8)之间、压接型功率器件(5)与第二钼片之间、第二钼片与工字型连接杆(7)之间以及接触单元(4)与上封接件(2)之间均采用烧结方式固定。
所述封装结构还包括铜排(6)，所述铜排(6)一端连接接触单元(4)，其另一端连接工字型连接杆(7)的下端。
所述弹簧(9)采用碟形弹簧、螺旋弹簧或空气弹簧。
所述上封接件(2)和下封接件(1)的固定方式为冷压焊接。
另一方面，本发明还提供一种压接型功率器件封装方法，包括：
将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定，并将其上表面与上封接件(2)固定；
将绝缘介质填充到下封接件(1)中；
将上封接件(2)和下封接件(1)固定。
将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定，并将其上表面与上封接件(2)固定，包括：
将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定；
将压接型功率器件(5)的上表面与第一钼片(8)固定；
将弹簧组件(3)的下端与第一钼片(8)固定，并将其上端与上封接件(2)的底部固定。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的压接型功率器件封装结构包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件(5)；分体式管壳包括上封接件(2)和下封接件(1)，所述上封接件(2)和下封接件(1)之间形成密闭腔体；压接型功率器件(5)下表面与下封接件(1)的底部固定，其上表面上封接件(2)的底部固定；分体式管壳内充斥绝缘介质，通过绝缘介质提高了功率器件的耐压能力，且封装结构的长期绝缘可靠性高；
本发明采用绝缘油或者绝缘气体作为绝缘介质，绝缘介质的选择更具灵活性；
本发明中的上封接件(2)和下封接件(1)通过冷压焊接形式固定，在管壳内部形成了密封腔体，大大提高了分体式管壳的密封性能，杜绝了绝缘介质从外界吸收水分的可能性，封装内部绝缘材料避免了因吸收水分而导致的绝缘性能下降，大大提高了封装结构的绝缘可靠性；
本发明在压接型功率器件(5)和弹簧组件(3)之间设置第一钼片(8)，降低了压接型功率器件(5)和弹簧组件(3)接触面的接触电阻和接触热阻，提高了封装结构的散热性能和散热效率。
附图说明
图1是本发明实施例中压接型功率器件封装结构示意图；
图中，1、下封接件，2、上封接件，3、弹簧组件，4、接触单元，5、压接型功率器件，6、铜排，7、工字型连接杆，8、第一钼片，9、弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供一种压接型功率器件封装结构，包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件5；分体式管壳包括上封接件2和下封接件1，在使用过程中，下封接件1会受到方向向下的压力，上封接件2会受到方向向上的压力。
上封接件2和下封接件1之间形成密闭腔体；
压接型功率器件5下表面与下封接件1的底部固定，其上表面上封接件2的底部固定；
封装结构还包括第一钼片8和弹簧组件3；
第一钼片8和弹簧组件3均位于上封接件2和压接型功率器件5之间，且第一钼片8位于弹簧组件3底部。
上封接件2和下封接件1采用冷压焊接的固定方式紧密连接，使得分体式管壳内部空间密闭，且上封接件2和下封接件1之间相互具有良好的电气绝缘，为器件整体提供支撑和外部电气连接。
分体式管壳内充斥绝缘介质，实现内部绝缘。绝缘介质为绝缘气体或绝缘油，绝缘气体或绝缘油能够提高了功率器件的耐压能力；
上封接件2为大片薄金属片，具备一定的弹性。
下封接件1包括侧板和底板；侧板为陶瓷板，底板为第二钼片，用于上封接件2和下封接件1之间的绝缘。
弹簧组件3用于缓冲不同压接型功率器件5之间因外部压力不均、压接型功率器件5并联各支路中不同支路组件之间相对误差较大等导致的并联压接型功率器件5之间压力分布的差异，并且可以实现压接型功率器件5与上封接件2之间的电气连接；弹簧组件3包括弹簧9、工字型连接杆7和接触单元4；
接触单元4为桶状；
弹簧9采用碟形弹簧、螺旋弹簧或空气弹簧。
弹簧9套在工字型连接杆7上，工字型连接杆7上端位于接触单元4内，其下端与第一钼片8固定，接触单元4的顶部与上封接件2的底部固定。
压力变化时弹簧组件3的长度也会发生变化，改变弹簧9的形变量，释放压力，并且参与导电。
压接型功率器件5与第一钼片8之间、压接型功率器件5与第二钼片之间、第二钼片与工字型连接杆7之间以及接触单元4与上封接件2之间均采用烧结方式固定，用于流通电流，烧结所采用的烧结料为纳米银或纳米铜。烧结具体是将烧结料放置于待烧结两界面中间，在高温下烧结料中的原子间相互吸引，形成致密的多晶烧结体，使得被烧结的两界面紧密连接，并且连接界面具有较低的接触热阻和接触电阻。
封装结构还包括铜排6，铜排6一端连接接触单元4，其另一端连接工字型连接杆7的下端。
实施例2
本发明实施例2提供一种压接型功率器件封装方法，包括：
将压接型功率器件5的下表面与下封接件1的底部固定，并将其上表面与上封接件2固定；
将绝缘介质填充到下封接件1中；
将上封接件2和下封接件1固定。
将压接型功率器件5的下表面与下封接件1的底部固定，并将其上表面与上封接件2固定，包括：
将压接型功率器件5的下表面与下封接件1的底部固定；
将压接型功率器件5的上表面与第一钼片8固定；
将弹簧组件3的下端与第一钼片8固定，并将其上端与上封接件2的底部固定。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种压接型功率器件封装结构，其特征在于，包括分体式管壳和位于分体式管壳内部的压接型功率器件(5)；
所述分体式管壳包括上封接件(2)和下封接件(1)，所述上封接件(2)和下封接件(1)之间形成密闭腔体；
所述压接型功率器件(5)下表面与下封接件(1)的底部固定，其上表面上封接件(2)的底部固定；
所述分体式管壳内充斥绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括第一钼片(8)和弹簧组件(3)；
所述第一钼片(8)和弹簧组件(3)均位于上封接件(2)和压接型功率器件(5)之间，且所述第一钼片(8)位于弹簧组件(3)底部。
3.根据权利要求1所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述绝缘介质为绝缘气体或绝缘油。
4.根据权利要求2所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述下封接件(1)包括侧板和底板；
所述侧板为陶瓷板，所述底板为第二钼片。
5.根据权利要求4所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述弹簧组件(3)包括弹簧(9)、工字型连接杆(7)和接触单元(4)；
所述接触单元(4)为桶状；
所述弹簧(9)套在工字型连接杆(7)上，所述工字型连接杆(7)上端位于接触单元(4)内，其下端与第一钼片(8)固定，所述接触单元(4)的顶部与上封接件(2)的底部固定。
6.根据权利要求5所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述压接型功率器件(5)与第一钼片(8)之间、压接型功率器件(5)与第二钼片之间、第二钼片与工字型连接杆(7)之间以及接触单元(4)与上封接件(2)之间均采用烧结方式固定。
7.根据权利要求5所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括铜排(6)，所述铜排(6)一端连接接触单元(4)，其另一端连接工字型连接杆(7)的下端。
8.根据权利要求5所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述弹簧(9)采用碟形弹簧、螺旋弹簧或空气弹簧。
9.根据权利要求1所述的压接型功率器件封装结构，其特征在于，所述上封接件(2)和下封接件(1)的固定方式为冷压焊接。
10.一种压接型功率器件封装方法，其特征在于，包括：
将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定，并将其上表面与上封接件(2)固定；将绝缘介质填充到下封接件(1)中；
将上封接件(2)和下封接件(1)固定。
11.根据权利要求10所述的压接型功率器件封装方法，其特征在于，所述将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定，并将其上表面与上封接件(2)固定，包括：
将压接型功率器件(5)的下表面与下封接件(1)的底部固定；
将压接型功率器件(5)的上表面与第一钼片(8)固定；
将弹簧组件(3)的下端与第一钼片(8)固定，并将其上端与上封接件(2)的底部固定。
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