一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块制造技术

本发明专利技术涉及一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，集电极金属层和发射极金属层之间IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层、铜底座和栅极PCB板，压接后的IGBT子模块外套装封装外壳支架，压接后发射极梯度功能复合材料层和铜底座的缺口内放置有栅极弹簧顶针，集电极梯度功能复合材料层与集电极金属层和IGBT功率芯片集电极表面以及发射极梯度功能复合材料层与IGBT功率芯片的发射极表面和铜底座的热膨胀系数相匹配，解决现有压接型IGBT功率模块中IGBT功率芯片与封装材料组件间热膨胀系数不匹配导致组件界面电热接触性能下降、散热效率降低、器件使用寿命缩短的问题。器件使用寿命缩短的问题。器件使用寿命缩短的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块


[0001]本专利技术属于功率半导体器件领域，涉及一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块。

技术介绍

[0002]相比焊接封装结构的IGBT功率模块，压接封装结构的IGBT功率模块具有高功率密度、双面散热、低通态损耗、抗冲击能力强、通流能力大、失效短路和易于串联等优点，适合柔性直流输电系统中MMC换流阀等高压、大容量电力装备的应用工况，采用数量较少的压接型IGBT功率模块便可满足MMC换流阀的电压等级和容量需求，有效降低了大容量电力装备的集成制造和运维难度，具有广阔的市场和应用前景。
[0003]传统压接型IGBT功率器件的封装结构示意图如图1所示，由七层封装材料构成，IGBT功率芯片工作时各层封装组件界面间依靠压力接触实现电热传导，由于各层组件材料的热膨胀系数不匹配，器件工作时IGBT功率芯片与刚性封装材料的膨胀变形不一致，导致IGBT功率芯片发射极表面与刚性组件不断接触摩擦、挤压，使得IGBT功率芯片表面产生凹痕，加速了功率器件的疲劳失效过程；且热膨胀系数不匹配导致组件间有效接触面积在交变的热应力作用下逐渐减小，影响IGBT功率器件工作时的电传导和热传导效率，导致器件的接触电阻和接触热阻值增大，工作损耗增加、散热效率降低，缩短了整个压接型IGBT功率模块的使用寿命。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术为了解决现有压接型IGBT功率模块中IGBT功率芯片与封装材料组件间热膨胀系数不匹配导致组件间有效接触面积在交变的热应力作用下逐渐减小，导致组件界面电热接触性能下降、散热效率降低、器件使用寿命缩短的问题，提供一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，实现IGBT功率芯片与封装材料间热膨胀系数的最佳匹配，提高IGBT功率器件工作时的电传导和热传导性能，延长器件的使用寿命。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，包括同轴设置的集电极金属层和发射极金属层，集电极金属层和发射极金属层之间压接有IGBT子模块，IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层、铜底座和栅极PCB板，发射极梯度功能复合材料层和铜底座形状均为带缺口的长方体，压接后的IGBT子模块外套装封装外壳支架，压接后发射极梯度功能复合材料层和铜底座的缺口内放置有栅极弹簧顶针，集电极梯度功能复合材料层分别与集电极金属层和IGBT功率芯片集电极表面的热膨胀系数相匹配，发射极梯度功能复合材料层分别与IGBT功率芯片的发射极表面和铜底座的热膨胀系数相匹配。
[0006]进一步，一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，包括同轴设置的集电极金属层和发射极金属层，集电极金属层和发射极金属层之间压接有若干个并联连
接的IGBT子模块，并联连接IGBT子模块外围的发射极金属层上安装有一圈Diode子模块，即不带缺角的反向续流二极管，IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层、铜底座和栅极PCB板，发射极梯度功能复合材料层和铜底座形状均为带缺口的长方体，压接后的发射极梯度功能复合材料层和铜底座外套装封装外壳支架，压接后发射极梯度功能复合材料层和铜底座的缺口内放置有栅极弹簧顶针，栅极PCB板上引出栅极驱动端子，各个IGBT子模块的栅极PCB板通过栅极驱动端子连接，外部驱动电路通过栅极驱动端子传输信号经PCB板和栅极弹簧顶针后控制IGBT子模块的通断，集电极梯度功能复合材料层分别与集电极金属层和IGBT功率芯片集电极表面的热膨胀系数相匹配，发射极梯度功能复合材料层分别与IGBT功率芯片的发射极表面和铜底座的热膨胀系数相匹配。
[0007]进一步，集电极梯度功能复合材料层分别与集电极金属层和IGBT功率芯片集电极表面的热膨胀系数差值在5％以内；发射极梯度功能复合材料层分别与IGBT功率芯片的发射极表面和铜底座的热膨胀系数差值在5％以内。
[0008]进一步，集电极梯度功能复合材料层与IGBT功率芯片集电极表面接触一侧材料硬度相同；发射极梯度功能复合材料层与IGBT功率芯片的发射极表面接触一侧材料硬度相同。
[0009]进一步，集电极金属层和发射极金属层均为圆柱形，均由高导电、高导热的材料制成。有益效果：集电极金属层和发射极金属层作为IGBT功率器件与散热器的连接媒介，起紧固封装组件和支撑作用，其尺寸由IGBT功率模块通流能力决定。
[0010]进一步，栅极弹簧顶针上端连接至IGBT功率芯片，下端连接至栅极PCB板，尺寸为直径2mm的圆柱体，两端呈半球弧形。
[0011]本专利技术的有益效果在于：
[0012]1、本专利技术所公开的基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，将传统压接型IGBT功率模块封装材料的组件层数由7层减少为6层，降低了封装集成难度，缩短了器件工作时的电、热传导路径，极大提高了IGBT功率器件工作时的电热性能，散热效率大幅提升。
[0013]2、本专利技术所公开的基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，梯度功能复合材料与IGBT功率芯片、集电极金属材料、发射极金属材料组件间的热膨胀系数实现最佳匹配状态，有效遏制了交变热应力作用下组件间的热膨胀变形差异逐渐扩大导致有效接触面积减小的问题，使IGBT功率器件组件界面间的电热接触性能始终维持在较好状态。
[0014]3、本专利技术所公开的基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，传统封装结构的压接型IGBT功率器件在交变热应力作用下芯片发射极表面会与刚性组件接触摩擦产生凹痕，从而加速器件的疲劳失效，本专利技术采用的发射极梯度功能复合材料与IGBT功率芯片发射极接触表面材料的硬度相同，实现IGBT功率芯片与封装材料间热膨胀系数的最佳匹配，有效杜绝了IGBT功率芯片与刚性组件摩擦产生凹痕的问题，延缓了IGBT功率器件的老化失效速率，提高了器件使用寿命。
[0015]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。
附图说明
[0016]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0017]图1为传统压接型IGBT功率器件的封装结构示意图；
[0018]图2为本专利技术基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块单个器件的封装结构示意图；
[0019]图3为本专利技术图2中IGBT功率芯片的结构示意图；
[0020]图4为本专利技术图2中集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层的结构示意图；
[0021]图5为本专利技术基于梯度功能复合材料封装的压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，其特征在于，包括同轴设置的集电极金属层和发射极金属层，集电极金属层和发射极金属层之间压接有IGBT子模块，IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层、铜底座和栅极PCB板，发射极梯度功能复合材料层和铜底座形状均为带缺口的长方体，压接后的IGBT子模块外套装封装外壳支架，压接后发射极梯度功能复合材料层和铜底座的缺口内放置栅极弹簧顶针，集电极梯度功能复合材料层分别与集电极金属层和IGBT功率芯片集电极表面的热膨胀系数相匹配，发射极梯度功能复合材料层分别与IGBT功率芯片的发射极表面和铜底座的热膨胀系数相匹配。2.一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块，其特征在于，包括同轴设置的集电极金属层和发射极金属层，集电极金属层和发射极金属层之间压接有若干个并联连接的IGBT子模块，并联连接IGBT子模块外围的发射极金属层上安装有一圈Diode子模块，即不带缺角的反向续流二极管，IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极梯度功能复合材料层、IGBT功率芯片、发射极梯度功能复合材料层、铜底座和栅极PCB板，发射极梯度功能复合材料层和铜底座形状均为带缺口的长方体，压接后的发射极梯度功能复合材料层和铜底座外套装封装外壳支架，压接后发射极梯度功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：张豫川，钟星立，龙海洋，
申请(专利权)人：中冶赛迪技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：