一种大功率压接型IGBT模块制造技术

本实用新型专利技术涉及一种大功率压接型IGBT模块，模块由子单元壳体(1)和子单元壳盖组件(2)组成气密性封装壳体。至少一个半导体芯片(1-1)与第一辅助件(1-6)、至少一个第二辅助件(1-2)、至少一个第三辅助件(1-3)形成的夹层结构布置在子单元壳体(1)与子单元壳盖组件(2)之间的气密性壳体内。不少于一个的上述子单元平行排布在模块外壳(3)中形成大功率IGBT模块。本实用新型专利技术涉及的IGBT模块具有低热阻，高可靠性及适于串联使用的优点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种大功率半导体器件，具体涉及一种大功率压接型IGBT模块。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为电力电子系统的一种关键电力半导体器件已经持续增长了若干年，这是因为它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，也实现了小型化的设计。由于硅材料承受电压的极限的限制，现有的IGBT器件的最高电压为6500V，而高达几十甚至上百kV电压应用的装置中，IGBT的应用多以串联形式使用，每个阀段需要多达几十只IGBT器件串联，为保证安装，运输过程中的安全性，常常需要施加高达100kN的紧固力，普通的模块及传统的压接式器件很难满足这样的紧固力要求。大功率IGBT的封装通常有两种形式，一种是底板绝缘模块式封装，由底板，覆铜陶瓷基板，绝缘外壳等组成，芯片背面通过焊料与陶瓷覆铜面焊接，正面通过键合线连接到陶瓷覆铜面，陶瓷覆铜面通过刻蚀形成连接正负电极的不同区域。作为非气密性封装，模块内部通过灌注硅凝胶或环氧树脂等绝缘材料来隔离芯片与外界环境(水，气，灰尘)的接触，但灌注材料通常也隔绝了热量的传递并在长期工作过程中出现隔离效果退化的现象。另外一种为类晶闸管，平板压接式封装，由陶瓷管壳及铜电极组成，芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT封装由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。在传统的压接式功率器件设计中，因为要满足芯片的无焊接连接需求，芯片往往直接通过压力接触与电极连接，并考虑到热膨胀系数(CTE)与硅片的匹配，选择钼作为辅助件安装在芯片与电极之间。器件的紧固力受到芯片承受压力极限的限制，不可能过大，否则会损坏芯片。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术的目的是提供一种大功率压接型IGBT模块，其中的半导体芯片在子单元壳体内得到气密性加惰性气体的保护，避免了芯片受到水汽、灰尘等外界条件沾污导致的失效，同时增加了芯片上下辅助件间的电弧的影响。本技术的目的是采用下述技术方案实现的：本技术提供一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，其改进之处在于：所述模块包括子单元壳体1、子单元壳盖组件2和模块外壳3；由子单元壳体1和子单元壳盖组件2通过冷压焊封装形成子单元，不少于1个的子单元平行排布于模块外壳3内，子单元在垂直方向与模块外壳3活动连接。进一步地，所述子单元在垂直方向与模块外壳3发生相对位移的距离为2-3mm。进一步地，所述子单元壳体1包括半导体芯片1-1、第二辅助件1-2、第三辅助件1-3、电极凸台1-4、子单元外壳1-5和第一辅助件1-6；所述第一辅助件1-6、半导体芯片1-1、第二辅助件1-2和第三辅助件1-3从上到下依次叠放在框架1-8内，所述框架1-8通过压力接触安装于电极凸台1-4上；所述电极凸台1-4与子单元外壳1-5通过壳体法兰1-7连接。进一步地，所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3采用与硅材料热膨胀系数相近的金属材质；所述第一辅助件1-6和第三辅助件1-3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm；所述第二辅助件1-2采用具有高延展性及高电导率的金属片；所述子单元外壳1-5采用绝缘材料。进一步地，所述与硅材料热膨胀系数相近的金属材质包括钨、钼或合金；所述具有高延展性及高电导率的金属片包括铝或银；所述绝缘材料包括陶瓷或环氧树脂复合材料。进一步地，所述子单元壳盖组件2包括子单元盖凸台2-1、热管散热器2-2、弹簧组件2-3、顶板电极2-4、定位框架2-5和盖法兰2-6；所述子单元凸台2-1、弹簧组件2-3与顶板电极2-4通过定位框架2-5装配成一体，在所述子单元凸台2-1和弹簧组件2-3之间设置热管散热器2-2；所述盖法兰2-6焊接在子单元凸台2-1上，所述盖法兰2-6通过冷压焊与壳体法兰1-7形成气密性子单元。进一步地，所述弹簧组件2-3一端与顶板电极2-4铆接，一端与子单元盖凸台2-1压接，并通过定位框架2-5与子单元凸台2-1定位；所述热管散热器2-2蒸发端与子单元盖凸台2-1通过凸台上的定位槽焊接定位。进一步地，所述模块外壳3由外壳壳体3-1和外壳盖3-2通过粘接组成；所述外壳壳体3-1和外壳盖3-2端面均有可使顶板电极2-4和电极凸台1-4在垂直方向移动的孔。进一步地，不少于1个子单元通过外壳壳体3-1和外壳盖3-2上的孔安装入外壳壳体3-1；所述电极凸台1-4外端面与顶板电极2-4外端面，在非工作状态分别伸出壳体端面0.5mm～3mm；在工作状态受压力作用下，与壳体端面水平。进一步地，所述模块的电流通路由子单元壳盖组件2到子单元壳体1的垂直方向流动；所述模块安装紧固力由模块外壳3与子单元壳盖组件2共同承受，最大安装紧固力为100kN。与现有技术比，本技术达到的有益效果是：1.本技术提供的大功率压接型IGBT模块为全压接式接触，消除了键合及焊接疲劳导致器件失效的因素。2.本技术借助子单元壳盖组件2，实现芯片1-1的双面散热及芯片的压力控制。3.本技术借助子单元壳盖组件2及模块外壳3的装配方式，由二者共同承受外部紧固力，实现整体模块大紧固力安装的要求。4.本技术提供的大功率压接型IGBT模块，其中芯片1-1为气密性封装，避免了外界的水汽，灰尘等污染，同时增加了芯片上下辅助件间的电弧的影响，提高了器件的长期使用可靠性。5.本技术提供的大功率压接型IGBT模块借助不同子单元在垂直方向的安装位置，实现多种电路拓扑结构的压接型IGBT模块。6.本技术涉及的IGBT模块具有低热阻，高可靠性及适于串联使用的优点。附图说明图1是本技术提供的大功率压接型IGBT模块的剖面结构图，其中：1-子单元壳体；2-子单元壳盖组件；3-模块外壳；图2是本技术提供模块的子单元壳体剖视图，其中：1-1—IGBT或FRD芯片；1-2—第二辅助件；1-3—第三辅助件；1-4—电极凸台；1-5—子单元外壳；1-6—第一辅助件；1-7—壳体法兰；1-8—框架；图3是本技术提供模块的子单元壳盖组件剖视图，其中：2-1—子单元盖凸台；2-2—热管散热器；2-3—弹簧组件；2-4—顶板电极；2-5—定位框架；2-6—盖法兰；图4是本技术提供的模块外壳外形示意图；图5是本技术提供的模块外壳剖视图，其中：3-1—外壳壳体；3-2—外壳盖。具体实施方式下面结合附图对本技术的具体实施方式作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，其特征在于：所述模块包括子单元壳体(1)、子单元壳盖组件(2)和模块外壳(3)；由子单元壳体(1)和子单元壳盖组件(2)通过冷压焊封装形成子单元，数量不少于1个的子单元平行排布于模块外壳(3)内，子单元在垂直方向与模块外壳(3)活动连接。

【技术特征摘要】
1.一种大功率压接型IGBT模块，所述模块为垂直叠层式封装结构，其特征在于：所述
模块包括子单元壳体(1)、子单元壳盖组件(2)和模块外壳(3)；由子单元壳体(1)和子
单元壳盖组件(2)通过冷压焊封装形成子单元，数量不少于1个的子单元平行排布于模块外
壳(3)内，子单元在垂直方向与模块外壳(3)活动连接。
2.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述子单元在垂直方向
与模块外壳(3)发生相对位移的距离为2-3mm。
3.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述子单元壳体(1)
包括半导体芯片(1-1)、第二辅助件(1-2)、第三辅助件(1-3)、电极凸台(1-4)、子单元外
壳(1-5)和第一辅助件(1-6)；
所述第一辅助件(1-6)、半导体芯片(1-1)、第二辅助件(1-2)和第三辅助件(1-3)从
上到下依次叠放在框架(1-8)内，所述框架(1-8)通过压力接触安装于电极凸台(1-4)上；
所述电极凸台(1-4)与子单元外壳(1-5)通过壳体法兰(1-7)连接。
4.如权利要求3所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述第一辅助件(1-6)
和第三辅助件(1-3)采用与硅材料热膨胀系数相近的金属材质；所述第一辅助件(1-6)和
第三辅助件(1-3)的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm；
所述第二辅助件(1-2)采用具有高延展性及高电导率的金属片；
所述子单元外壳(1-5)采用绝缘材料。
5.如权利要求4所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所述与硅材料热膨胀系
数相近的金属材质包括钨、钼或合金；所述具有高延展性及高电导率的金属片包括铝或银；
所述绝缘材料包括陶瓷或环氧树脂复合材料。
6.如权利要求1所述的大功率压接型IGBT模块，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩荣刚，张朋，刘文广，李现兵，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网智能电网研究院，国网北京市电力公司，
类型：新型
国别省市：北京;11