CN116666310A - 一种igbt封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种IGBT封装结构，包括上封装壳、下封装壳以及IGBT芯片，上封装壳连接有上壳电极，下封装壳连接有下壳电极，上壳电极以及下壳电极均位于封装腔体内，上壳电极以及下壳电极均与外部导线相连；上壳电极以及下壳电极均具有至少一个凸起，凸起为空心结构，凸起与IGBT芯片相抵减小上壳电极以及下壳电极与IGBT芯片的接触面积，使得填充于封装腔体内的导热介质，能够直接与IGBT芯片接触，封装腔体与外部环境相连通，确保导热介质能够为IGBT芯片降温，增强IGBT散热性能；凸起设置为空心结构，导热介质能够由凸起的空心处流过，增强导热介质与上壳电极以及下壳电极的热交换效率，进一步增强IGBT散热性能。

Description

一种IGBT封装结构
技术领域
本发明涉及半导体及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种IGBT封装结构。
背景技术
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）因其高功率密度而产生大量热量，功率器件与散热器之间存在的空气间隙会产生非常大的接触热阻，显著增大两个界面之间的温差。为了确保IGBT模块高效、安全和稳定地工作，对其热管理技术也是新型产品设计和应用的最重要环节。
10℃法则表明：器件温度每降低10℃，可靠性增加1倍，目前由于IGBT因热失控而导致失效的现象最为常见，可以说，大部分的IGBT功率半导体模块的失效原因都与热量有关，因此，可靠的热管理是保障IGBT长期使用的当务之急，IGBT的可靠性也成为目前行业研究的热点所在。
长期以来，传统IGBT从热设计的角度而言，可以从三个方面降低热阻：封装材料，底板，散热器。目前，IGBT主要散热方案为风冷与液冷，将IGBT直接安装在散热器上，IGBT模块的热量通过底板直接传递到散热器的外壳，再通过风冷或液冷强制对流的方式将热量带走，但无法从关键发热部分芯片上进行降温，影响IGBT散热效果。
因此，如何改变现有技术中，无法对IGBT的芯片进行有效降温，影响IGBT整体散热性能的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种IGBT封装结构，以解决上述现有技术存在的问题，通过对IGBT芯片进行有效降温，增强IGBT散热性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种IGBT封装结构，包括：
上封装壳；
下封装壳，所述上封装壳与所述下封装壳相连并围成密封的封装腔体，所述封装腔体内填充有导热介质，所述封装腔体还与外部环境相连通；
所述上封装壳连接有上壳电极，所述下封装壳连接有下壳电极，所述上壳电极以及所述下壳电极均位于所述封装腔体内，所述上壳电极以及所述下壳电极均与外部导线相连；所述上壳电极以及所述下壳电极均具有至少一个凸起，所述凸起为空心结构；
IGBT芯片，所述IGBT芯片设置于所述封装腔体内，且所述IGBT芯片位于所述上壳电极与所述下壳电极之间，所述凸起与所述IGBT芯片相抵并固定所述IGBT芯片。
优选地，所述凸起与所述IGBT芯片相抵并产生一定形变。
优选地，所述上壳电极与所述上封装壳之间的夹角、所述下壳电极与所述下封装壳之间的夹角均为70°~90°，所述上壳电极以及所述下壳电极所产生的形变量为10%~30%。
优选地，所述上壳电极以及所述下壳电极均具有多个所述凸起，相邻的所述凸起之间形成凹陷，所述凹陷与所述IGBT芯片围成允许所述导热介质通过的导热通道。
优选地，所述凸起为弧形凸起。
优选地，所述上壳电极以及所述下壳电极以所述IGBT芯片为轴线对称设置。
优选地，所述上壳电极以及所述下壳电极均由带材制成。
优选地，所述上壳电极以及所述下壳电极均为多层结构。
优选地，所述上封装壳与所述下封装壳铰接相连，所述上封装壳与所述下封装壳的铰接处设置轴承，所述上封装壳与所述下封装壳之间还设置锁定开关，所述锁定开关与所述轴承相对设置。
优选地，所述上封装壳与所述下封装壳之间设置密封元件；所述上封装壳和/或所述下封装壳上设置有注入孔，所述注入孔用于向所述封装腔体内注入所述导热介质，所述上封装壳和/或所述下封装壳上还设置有导出孔，所述封装腔体利用所述导出孔与散热器相连通。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的IGBT封装结构，上封装壳与下封装壳相配合围成密封的封装腔体，封装腔体内设置有上壳电极、下壳电极以及IGBT芯片，上壳电极与下壳电极均具有至少一个凸起，凸起与IGBT芯片相抵，使得IGBT芯片能利用上壳电极以及下壳电极与外部导线相连；同时，上壳电极以及下壳电极利用凸起与IGBT芯片抵接，在保证IGBT芯片与外部导线连接的同时，减小上壳电极以及下壳电极与IGBT芯片的接触面积，使得填充于封装腔体内的导热介质，能够直接与IGBT芯片接触，封装腔体与外部环境相连通，确保导热介质能够为IGBT芯片降温，增强IGBT散热性能；且凸起设置为空心结构，导热介质能够由凸起的空心处流过，增强导热介质与上壳电极以及下壳电极的热交换效率，进一步增强IGBT散热性能。
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为本发明实施例所公开的IGBT封装结构放置IGBT芯片时的示意图；
图2为图1中部分结构的放大示意图；
图3为本发明实施例所公开的IGBT封装结构封装后的示意图；
图4为本发明实施例所公开的IGBT封装结构封装后的部分结构示意图；
图5为本发明实施例所公开的凸起在10%形变量下与IGBT芯片的接触情况仿真图；
图6为本发明实施例所公开的凸起在20%形变量下与IGBT芯片的接触情况仿真图；
图7为本发明实施例所公开的凸起在30%形变量下与IGBT芯片的接触情况仿真图；
图8为图7中左边的单层凸起在30%形变量下的结构压力仿真图；
图9为图7中中间的单层凸起在30%形变量下的结构压力仿真图；
图10为图7中右边的多层凸起在30%形变量下的结构压力仿真图。
其中，1为上封装壳，2为下封装壳，3为IGBT芯片，4为上壳电极，5为下壳电极，6为凸起，7为封装腔体，8为外部导线，9为轴承，10为锁定开关。
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IGBT封装结构，以解决上述现有技术存在的问题，通过对IGBT芯片进行有效降温，增强IGBT散热性能。
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。
本发明提供一种IGBT封装结构，包括上封装壳1、下封装壳2以及IGBT芯片3，上封装壳1与下封装壳2相连并围成密封的封装腔体7，封装腔体7内填充有导热介质，封装腔体7还与外部环境相连通；上封装壳1连接有上壳电极4，下封装壳2连接有下壳电极5，上壳电极4以及下壳电极5均位于封装腔体7内，上壳电极4以及下壳电极5均与外部导线8相连；上壳电极4以及下壳电极5均具有至少一个凸起6，凸起6为空心结构；IGBT芯片3设置于封装腔体7内，且IGBT芯片3位于上壳电极4与下壳电极5之间，凸起6与IGBT芯片3相抵并固定IGBT芯片3。
本发明的IGBT封装结构，上封装壳1与下封装壳2相配合围成密封的封装腔体7，封装腔体7内设置有上壳电极4、下壳电极5以及IGBT芯片3，上壳电极4与下壳电极5均具有至少一个凸起6，凸起6与IGBT芯片3相抵，使得IGBT芯片3能利用上壳电极4以及下壳电极5与外部导线8相连；同时，上壳电极4以及下壳电极5利用凸起6与IGBT芯片3抵接，在保证IGBT芯片3与外部导线8连接导通的同时，减小上壳电极4以及下壳电极5与IGBT芯片3的接触面积，使得填充于封装腔体7内的导热介质，能够直接与IGBT芯片3接触，封装腔体7与外部环境相连通，确保导热介质能够为IGBT芯片3降温，增强IGBT散热性能；且凸起6设置为空心结构，导热介质能够由凸起6的空心处流过，增强导热介质与上壳电极4以及下壳电极5的热交换效率，同样能够增强上壳电极4以及下壳电极5与IGBT芯片3的热交换效率，进一步增强IGBT散热性能。此处需要解释说明的是，由于IGBT芯片3为薄板状结构，因此，IGBT芯片3位于上壳电极4与下壳电极5之间，凸起6与IGBT芯片3相抵，具体指，IGBT芯片3的“板面”所在平面平行于上壳电极4以及下壳电极5之间的缝隙，凸起6是与IGBT芯片3的两“板面”相抵。
其中，导热介质可选择不导电、高导热的有机溶剂，如硅酮（导热硅油）、高碳醇和饱和脂肪烃（导热油）等，在实际应用中，还可以根据实际冷却需求选择合适的导热介质。选择绝缘体的导热介质为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。
还需要说明的是，凸起6与IGBT芯片3相抵并产生一定形变，从而提高凸起6与IGBT芯片3的接触可靠性，保证IGBT芯片3能够利用上壳电极4以及下壳电极5与外部导线8相连，提高IGBT的工作可靠性。
在本具体实施方式中，上壳电极4与上封装壳1之间的夹角、下壳电极5与下封装壳2之间的夹角均为70°~90°，此处需要解释说明的是，上壳电极4与上封装壳1之间的夹角，具体指上壳电极4与上封装壳1的连接段与上封装壳1之间的夹角，同样地，下壳电极5与下封装壳2之间的夹角，是指下壳电极5与下封装壳2的连接段与下封装壳2之间的夹角，以下简称接触角；上壳电极4以及下壳电极5所产生的形变量为10%~30%，以保证IGBT芯片3与上壳电极4以及下壳电极5的接触可靠性。
在本发明的其他具体实施方式中，上壳电极4以及下壳电极5可设置为具有多个凸起6的结构，相邻的凸起6之间形成凹陷，凹陷与IGBT芯片3围成允许导热介质通过的导热通道，同样地，凸起6与上封装壳1、下封装壳2均围成导热通道，导热介质沿导热通道流动，导热介质直接与IGBT芯片3接触，使得IGBT芯片3散热效果良好，有利于提升IGBT性能。此处还需要解释说明的是，在实际应用中，还可以通过设置多个上壳电极4和下壳电极5的方式，实现上壳电极4以及下壳电极5均具有多个凸起6的目的，可根据实际工况选择合适的设置方式，降低生产制造难度，同时提高结构整体的灵活适应性。
另外，在本具体实施方式中，凸起6为弧形凸起，将凸起6设置为弧形凸起，上封装壳1以及下封装壳2与IGBT芯片3相配合，挤压凸起6，弧形的凸起6在挤压作用下易产生形变，保证上壳电极4和下壳电极5与IGBT芯片3的接触可靠性；通过合理设置上封装壳1、下封装壳2以及凸起6的尺寸，使凸起6的形变量在预设形变范围内。另外，在实际应用中，还可以将凸起6设置为三角形、梯形或多边形的凸起6，在保证凸起6与IGBT芯片3接触的同时，提高上壳电极4和下壳电极5的灵活适应性，使上壳电极4和下壳电极5适应各种不同的封装工况。
在本发明的其他具体实施方式中，上壳电极4以及下壳电极5以IGBT芯片3为轴线对称设置，详见图3，降低封装结构的生产制造难度，提高操作便捷性。
具体地，上壳电极4以及下壳电极5均由带材制成，在本具体实施方式中，可选用铝带制成，导电率高，且质量较小；在实际应用中，还可以选用其他材质的金属带材制成。
在弧形的凸起6被压迫到一定程度时，凸起6与IGBT芯片3的接触处可能会出现内陷的现象，影响凸起6与IGBT芯片3的接触可靠性，因此，本发明将上壳电极4以及下壳电极5均设置为多层结构，在本具体实施方式中，上壳电极4以及下壳电极5均由多层铝带制成，多层铝带堆叠设置，可根据实际需求确定铝带的层数。在本具体实施方式中，以上壳电极4和下壳电极5的形变量分别为10%、20%、30%为例，对单层和多层结构的凸起6与IGBT芯片3的接触情况进行仿真模拟，并以凸起6与IGBT芯片3的接触比例来反应接触效果，仿真模拟结果如下表，在较大形变量的情况下，较大接触角的结构会比较小接触角的结构接触效果更好，多层铝带结构的上壳电极4和下壳电极5结构更加稳定；但在微小形变量的条件下，较小的接触角的接触效果更好，上壳电极4以及下壳电极5均采用多层铝带制成的结构形式，能够增强凸起6与IGBT芯片3的接触效果。在实际应用中，可根据相应需求调整上壳电极4和下壳电极5的形变量以及接触角，满足不同的工况。
表1 仿真模拟结果
连接处角度 90° 78.48° 70.75°
10%形变量 18.56% 21.41% 21.63%（上弓下弓未接触）
20%形变量 27.07% 25.52% 29.02%（上弓下弓出现接触）
30%形变量 69.05% 66.37% 63.29%（上弓下弓出现接触）
此处需要解释说明的是，仿真模拟以IGBT芯片3与下壳电极5的接触情况为例进行模拟，表1中横向表头为下壳电极5与下封装壳2的连接处与下封装壳2之间的角度，上弓、下弓分别指上层铝带和下层铝带。
更具体地，为了方便封装操作，上封装壳1与下封装壳2铰接相连，上封装壳1与下封装壳2的铰接处设置轴承9，提高上封装壳1与下封装壳2的相对转动顺畅性，上封装壳1与下封装壳2之间还设置锁定开关10，锁定开关10与轴承9相对设置，在放置好IGBT芯片3后，利用锁定开关10固定上封装壳1与下封装壳2的位置。同时需要强调的是，本发明的封装结构为可拆装结构，可根据实际工况更换封装结构内的IGBT芯片3，更换完成后，重新利用锁定开关10锁紧封装结构，极大地提高了封装结构的灵活适应性。其中，锁定开关10可选择锁扣、卡扣等结构。
为了保证封装腔体7的密封性能，上封装壳1与下封装壳2之间设置密封元件，在实际应用中可利用密封胶对上封装壳1与下封装壳2之间的缝隙进行密封，形成密封元件，或选择与上封装壳1以及下封装壳2形状相匹配的密封圈，保证封装腔体7的密封性，避免导热介质泄漏。
为了方便导热介质进出封装腔体7，上封装壳1和/或下封装壳2上设置有注入孔，注入孔用于向封装腔体7内注入导热介质，在IGBT芯片3安装完成，且上封装壳1与下封装壳2密封锁定后，利用注入孔向封装腔体7内注入导热介质，保证封装结构的散热效果。上封装壳1和/或下封装壳2上还设置有导出孔，封装腔体7利用导出孔与散热器相连通，导热介质吸热后，经由倒出孔导出封装腔体7，并与散热器进行热量交换后，重新由注入孔进入导热腔体内。在实际应用中，可合理设置注入孔和导出孔的位置，控制导热介质的流速等工作参数，确保导热介质的正常工作，同时进一步增强封装结构的散热可靠性。在实际应用中，可在上封装壳1或下封装壳2其中一者上设置注入孔，在另外一者上设置导出孔；或，在在上封装壳1和下封装壳2均分别设置注入孔和导出孔，满足不同的工况。
现有技术中的IGBT散热时，热量分别通过锡膏层、铜DBC表面、陶瓷、铜DBC表面、锡膏层、底板（均为现有IGBT的结构，为本领域技术人员的公知常识）传递至外界，易在各个部分形成温度梯度降低传热效率。相较于现有IGBT，本发明的IGBT封装结构，直接通过导热介质对IGBT芯片3的上下两侧进行散热，且凸起6由铝带制成，减少阻隔，增强导热介质的流动性，使导热介质能够形成强对流现象，导热介质内部几乎不存在温度梯度，极大地提升IGBT封装结构的散热性能。
本发明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IGBT封装结构，其特征在于，包括：
上封装壳；
下封装壳，所述上封装壳与所述下封装壳相连并围成密封的封装腔体，所述封装腔体内填充有导热介质，所述封装腔体还与外部环境相连通；
所述上封装壳连接有上壳电极，所述下封装壳连接有下壳电极，所述上壳电极以及所述下壳电极均位于所述封装腔体内，所述上壳电极以及所述下壳电极均与外部导线相连；所述上壳电极以及所述下壳电极均具有至少一个凸起，所述凸起为空心结构；
IGBT芯片，所述IGBT芯片设置于所述封装腔体内，且所述IGBT芯片位于所述上壳电极与所述下壳电极之间，所述凸起与所述IGBT芯片相抵并固定所述IGBT芯片。
2.根据权利要求1所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述凸起与所述IGBT芯片相抵并产生一定形变。
3.根据权利要求2所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上壳电极与所述上封装壳之间的夹角、所述下壳电极与所述下封装壳之间的夹角均为70°~90°，所述上壳电极以及所述下壳电极所产生的形变量为10%~30%。
4.根据权利要求1所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上壳电极以及所述下壳电极均具有多个所述凸起，相邻的所述凸起之间形成凹陷，所述凹陷与所述IGBT芯片围成允许所述导热介质通过的导热通道。
5.根据权利要求1所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述凸起为弧形凸起。
6.根据权利要求1所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上壳电极以及所述下壳电极以所述IGBT芯片为轴线对称设置。
7.根据权利要求1-6任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上壳电极以及所述下壳电极均由带材制成。
8.根据权利要求7所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上壳电极以及所述下壳电极均为多层结构。
9.根据权利要求1-6任一项所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上封装壳与所述下封装壳铰接相连，所述上封装壳与所述下封装壳的铰接处设置轴承，所述上封装壳与所述下封装壳之间还设置锁定开关，所述锁定开关与所述轴承相对设置。
10.根据权利要求9所述的IGBT封装结构，其特征在于：所述上封装壳与所述下封装壳之间设置密封元件；所述上封装壳和/或所述下封装壳上设置有注入孔，所述注入孔用于向所述封装腔体内注入所述导热介质，所述上封装壳和/或所述下封装壳上还设置有导出孔，所述封装腔体利用所述导出孔与散热器相连通。
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