一種全壓接式功率器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體器件，具體涉及一種全壓接式功率器件。全壓接功率器件由上下電極配合多層材料與硅片實(shí)現(xiàn)全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導(dǎo)致的器件失效。與傳統(tǒng)IGBT模塊作為單一器件使用相比，芯片緊固力與器件緊固力由不同的器件分別提供，有效提高器件串聯(lián)使用時(shí)的緊固力，不再受功率芯片壓力承受極限的限制，滿足多個(gè)器件串聯(lián)使用的要求。
【專利說(shuō)明】一種全壓接式功率器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體器件，具體涉及一種全壓接式功率器件。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)自 1986 年開(kāi)始正式生產(chǎn)并逐漸系列化以來(lái)，其封裝質(zhì)量及可靠性一直影響著其在工業(yè)控制，機(jī)車牽引，電力系統(tǒng)等大功率應(yīng)用領(lǐng)域的使用及推廣。
[0003]IGBT作為電力電子系統(tǒng)的一種關(guān)鍵電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)持續(xù)增長(zhǎng)了若干年，這是因?yàn)樗闺娏﹄娮友b置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更高的效率，也實(shí)現(xiàn)了小型化的設(shè)計(jì)。這就意味著IGBT器件的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到很寬的范圍，不僅在工業(yè)中，而且在許多其他功率變換系統(tǒng)中，它已經(jīng)取代了大功率雙極晶體管(GTR)，甚至出現(xiàn)替代門(mén)關(guān)斷晶閘管(GTO)的現(xiàn)實(shí)趨勢(shì)。
[0004]由于硅材料承受電壓的極限的限制，現(xiàn)有的IGBT器件的最高電壓為6500V，而高達(dá)幾十甚至上百kV電壓應(yīng)用的裝置中，IGBT的應(yīng)用多以串聯(lián)形式使用，每個(gè)閥段需要多達(dá)幾十只IGBT器件串聯(lián)，為保證安裝，運(yùn)輸過(guò)程中的安全性，常常需要施加高達(dá)IOOkN的緊固力，普通的模塊及傳統(tǒng)的壓接式器件很難滿足這樣的緊固力要求。
[0005]大功率IGBT的封裝通常有兩種形式，一種是底板絕緣模塊式封裝，由底板，覆銅陶瓷基板，絕緣外殼等組成，芯片背面通過(guò)焊料與陶瓷覆銅面焊接，正面通過(guò)鍵合線連接到陶瓷覆銅面，陶瓷覆銅面通過(guò)刻蝕形成連接正負(fù)電極的不同區(qū)域。作為非氣密性封裝，模塊內(nèi)部通過(guò)灌注硅凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料來(lái)隔離芯片與外界環(huán)境(水，氣，灰塵)的接觸，縮短器件的使用壽命。
[0006]另外一種為類晶閘管，平板壓接式封裝，由陶瓷管殼及銅電極組成，芯片與電極通過(guò)壓力接觸。全壓接IGBT封裝由上下電極配合多層材料與硅片實(shí)現(xiàn)全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導(dǎo)致的器件失效。
[0007]在傳統(tǒng)的壓接式功率器件設(shè)計(jì)中，因?yàn)橐獫M足芯片的無(wú)焊接連接需求，芯片往往直接通過(guò)壓力接觸與電極連接，并考慮到熱膨脹系數(shù)(CTE)與硅片的匹配，選擇鑰作為輔助件安裝在芯片與電極之間。器件的緊固力受到芯片承受壓力極限的限制，不可能過(guò)大，否則會(huì)損壞芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種全壓接式功率器件，該功率器件為類晶閘管，采用平板壓接式封裝，功率芯片與電極通過(guò)壓力接觸。全壓接IGBT器件由上下電極配合多層材料與硅片實(shí)現(xiàn)全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導(dǎo)致的器件失效。與傳統(tǒng)IGBT模塊作為單一器件使用相比，芯片緊固力與器件緊固力由不同的器件分別提供，有效提高器件串聯(lián)使用時(shí)的緊固力，不再受功率芯片壓力承受極限的限制，滿足多個(gè)器件串聯(lián)使用的要求。[0009]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明提供一種全壓接式功率器件，所述功率器件為平板壓接式封裝結(jié)構(gòu)，其改進(jìn)之處在于:所述功率器件包括從上到下依次設(shè)置的第一接觸電極7、第一輔助件2、芯片1、第二輔助件3和第二接觸電極8 ;與所述芯片I軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有框架6 ;所述第一接觸電極7和第二接觸電極8通過(guò)殼體9互相連接，在第一輔助件2 —側(cè)依次設(shè)有導(dǎo)電觸片4及彈黃件5 ；
[0011]外界施加于所述功率器件的緊固力通過(guò)第一接觸電極7、框架6和第二接觸電極8來(lái)承受，所述芯片I的緊固力通過(guò)安裝在第一接觸電極7內(nèi)的彈簧件5來(lái)提供。
[0012]進(jìn)一步地，所述彈簧件5安裝在第一接觸電極7內(nèi)，且與導(dǎo)電觸片4垂直設(shè)置。
[0013]進(jìn)一步地，所述彈簧件5通過(guò)非焊接或燒結(jié)方式安裝在導(dǎo)電觸片4上。
[0014]進(jìn)一步地，所述彈簧件5為蝶形彈簧或能夠提供不小于IkN緊固力的彈簧組件。
[0015]進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電觸片4采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片，包括銅、銀和鑰；
[0016]所述導(dǎo)電觸片4與第一輔助件2之間機(jī)械連接，且連接位置成凹陷狀，所述凹陷狀的面積由框架6和芯片I的尺寸決定；
[0017]所述導(dǎo)電觸片4與框架6之間通過(guò)機(jī)械連接。
[0018]進(jìn)一步地，其中第一輔助件2和第二輔助件3采用與硅片熱膨脹系數(shù)匹配的金屬材質(zhì)，包括鎢和鑰；所述第一輔助件2和第二輔助件3的形狀均為方形薄片，厚度均為l-2mm。
[0019]進(jìn)一步地，所述框架6與芯片I之間為機(jī)械裝配；所述框架6采用纖維復(fù)合材料制成，能承受不小于IOOkN的壓力，用于保持框架6的穩(wěn)定性。
[0020]進(jìn)一步地，所述芯片I為半導(dǎo)體材料片，包括至少一個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT或至少一個(gè)續(xù)流二極管FWD。
[0021]進(jìn)一步地，在所述第一接觸電極7和第二接觸電極8的軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有殼體9并通過(guò)殼體9互相連接；
[0022]所述殼體9、第一接觸電極7和第二接觸電極8組成氣密性組件。
[0023]進(jìn)一步地，所述芯片1、第一輔助件2、第二輔助件3、導(dǎo)電觸片4、彈簧件5和框架6均被封裝在氣密性組件內(nèi)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:
[0025]1.本發(fā)明提供功率器件承受的大緊固力在內(nèi)部由框架6承受，不再受功率芯片I壓力承受極限的限制，滿足較大緊固力的要求。
[0026]2.本發(fā)明提供的功率器件為全壓接式接觸，消除了焊接疲勞導(dǎo)致器件失效的因素。
[0027]3.本發(fā)明借助導(dǎo)電觸片4，可實(shí)現(xiàn)功率芯片I雙面散熱，較傳統(tǒng)的單面散熱器件具有更寬工作溫度范圍。
[0028]4.彈簧件5提供芯片的緊固力，降低了功率器件在安裝時(shí)因?yàn)橥獠烤o固操作導(dǎo)致的芯片損壞。
[0029]5.本發(fā)明提供的功率器件為氣密性封裝，避免了外界的水汽，灰塵等污染，提高了器件的長(zhǎng)期使用可靠性。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明提供的全壓接式功率器件剖面結(jié)構(gòu)圖；其中:A-功率芯片位置；7-第一接觸電極(當(dāng)芯片為IGBT芯片時(shí)，為集電極；當(dāng)芯片為FWD時(shí)，為陰極);8_第二接觸電極(當(dāng)芯片為IGBT芯片時(shí)，為發(fā)射極；當(dāng)芯片為FWD時(shí)，為陽(yáng)極)；
[0031]圖2是本發(fā)明提供的功率芯片位置A放大示意圖；其中:1_功率芯片；2_第一輔助件；3_第二輔助件；4_導(dǎo)電觸片；5_彈簧件；6_框架；
[0032]圖3是本發(fā)明提供功率器件在緊固時(shí)受力的位置示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明提供的導(dǎo)電觸片示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]本發(fā)明提供的全壓接式功率器件是多層材料組合的垂直結(jié)構(gòu)，如圖1所示。全壓接式IGBT封裝單芯片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，功率器件包括從上到下依次設(shè)置的第一接觸電極7、第一輔助件2、芯片1、第二輔助件3和第二接觸電極8 ;與所述芯片I軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有框架6 ;所述第一接觸電極7和第二接觸電極8通過(guò)殼體9互相連接，在第一輔助件2 —側(cè)依次設(shè)有導(dǎo)電觸片4及彈簧件5 ;外界施加于所述功率器件的緊固力通過(guò)第一接觸電極
7、框架6和第二接觸電極8來(lái)承受，所述芯片I的緊固力通過(guò)安裝在第一接觸電極7內(nèi)的彈簧件5來(lái)提供。本發(fā)明提供功率器件在緊固時(shí)受力的位置示意圖如圖3所示。
[0036]所述彈簧件5安裝在第一接觸電極7內(nèi)，且與導(dǎo)電觸片4垂直設(shè)置。
[0037]所述彈簧件5通過(guò)非焊接或燒結(jié)方式安裝在導(dǎo)電觸片4上。
[0038]所述彈簧件5為蝶形彈簧或能夠提供不小于IkN緊固力的彈簧組件。
[0039]所述導(dǎo)電觸片4采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片，通常為銅，銀，或鑰；所述導(dǎo)電觸片4與第一輔助件2之間機(jī)械連接，且連接位置成凹陷狀，如圖4所示，所述凹陷狀的面積由框架6和芯片I的尺寸決定；所述導(dǎo)電觸片4與框架6之間通過(guò)機(jī)械連接。
[0040]其中第一輔助件2和第二輔助件3采用與硅片熱膨脹系數(shù)匹配的金屬材質(zhì)，包括鎢和鑰；所述第一輔助件2和第二輔助件3的形狀均為方形薄片，厚度均為l_2mm。
[0041]所述框架6與芯片I之間為機(jī)械裝配；所述框架6采用纖維復(fù)合材料制成，能承受不小于IOOkN的壓力，用于保持框架6的穩(wěn)定性。
[0042]所述芯片I為半導(dǎo)體材料片，包括至少一個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT或至少一個(gè)續(xù)流二極管FWD。
[0043]在所述第一接觸電極7和第二接觸電極8的軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有殼體9并通過(guò)殼體9互相連接；所述殼體9、第一接觸電極7和第二接觸電極8組成氣密性組件。
[0044]所述芯片1、第一輔助件2、第二輔助件3、導(dǎo)電觸片4、彈簧件5和框架6均被封裝在氣密性組件內(nèi)。
[0045]第一接觸電極7、導(dǎo)電觸片4、第一輔助件2、功率芯片1、第二輔助件3以及第二接觸電極8依次構(gòu)成電流通路。
[0046]功率芯片1、第一輔助件2、導(dǎo)電觸片4和第一接觸電極7構(gòu)成一路散熱通路；以及功率芯片1、第二輔助件3和第二接觸電極8構(gòu)成另一路散熱通路。[0047]本發(fā)明提供的全壓接式功率器件與傳統(tǒng)IGBT模塊使用綁定線作為電極引出方式相比，雙面壓力接觸可實(shí)現(xiàn)雙面散熱，有效提高器件的工作溫度，滿足器件的大緊固力需求。
[0048]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種全壓接式功率器件，所述功率器件為平板壓接式封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述功率器件包括從上到下依次設(shè)置的第一接觸電極(7)、第一輔助件(2)、芯片(I)、第二輔助件(3)和第二接觸電極(8);與所述芯片(I)軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有框架(6);所述第一接觸電極(7)和第二接觸電極(8)通過(guò)殼體(9)互相連接，在第一輔助件(2)—側(cè)依次設(shè)有導(dǎo)電觸片(4)及彈簧件(5);外界施加于所述功率器件的緊固力通過(guò)第一接觸電極(7)、框架(6)和第二接觸電極(8)來(lái)承受，所述芯片(I)的緊固力通過(guò)安裝在第一接觸電極(7)內(nèi)的彈簧件(5)來(lái)提供。
2.如權(quán)利要求1所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述彈簧件(5)與導(dǎo)電觸片(4)垂直設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述彈簧件(5)通過(guò)非焊接或燒結(jié)方式安裝在導(dǎo)電觸片(4)上。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述彈簧件(5)為蝶形彈簧或能夠提供不小于IkN緊固力的彈簧組件。
5.如權(quán)利要求2所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述導(dǎo)電觸片(4)采用具有高延展性及高電導(dǎo)率的金屬片，包括銅、銀和鑰；所述導(dǎo)電觸片(4)與第一輔助件(2)之間機(jī)械連接，且連接位置成凹陷狀，所述凹陷狀的面積由框架(6)和芯片(I)的尺寸決定；所述導(dǎo)電觸片(4)與框架(6)之間為機(jī)械連接。
6.如權(quán)利要求1所述的全壓接功率器件，其特征在于，其中第一輔助件(2)和第二輔助件(3)采用與硅片熱膨脹系數(shù)匹配的金屬材質(zhì)，包括鎢和鑰；所述第一輔助件(2)和第二輔助件(3)的形狀均為方形薄片,厚度均為1-2_。
7.如權(quán)利要求1所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述框架(6)與芯片(I)之間為機(jī)械裝配；所述框架(6)采用纖維復(fù)合材料制成，能承受不小于IOOkN的壓力，用于保持框架(6)的穩(wěn)定性。
8.如權(quán)利要求1所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述芯片(I)為半導(dǎo)體材料片，包括至少一個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT或至少一個(gè)續(xù)流二極管FWD。
9.如權(quán)利要求1所述的全壓接式功率器件，其特征在于，在所述第一接觸電極(7)和第二接觸電極(8)的軸向垂直的方向上對(duì)稱設(shè)有殼體(9)并通過(guò)殼體(9)互相連接；所述殼體(9)、第一接觸電極(7)和第二接觸電極(8)組成氣密性組件。
10.如權(quán)利要求1所述的全壓接式功率器件，其特征在于，所述芯片(I)、第一輔助件(2)、第二輔助件(3)、導(dǎo)電觸片(4)、彈簧件(5)和框架(6)均被封裝在氣密性組件內(nèi)。
【文檔編號(hào)】H01L23/492GK103579165SQ201310538589
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】韓榮剛, 張朋, 劉文廣, 蘇瑩瑩, 金銳, 于坤山, 凌平, 包海龍, 張宇, 劉雋 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司