[實用新型]一種全壓接式功率器件

有效

• 申請號: 201320689584.9
• 申請日: 2013-11-04
• 公開（公告）號: CN203607393U
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 國家電網公司;國網智能電網研究院;國網上海市電力公司
• 主分類號: H01L23/495
• 分類號: H01L23/495;H01L23/492;H01L23/16;H01L23/02
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本實用新型涉及一種功率半導體器件，具體涉及一種全壓接式功率器件。

背景技術

絕緣柵雙極晶體管（Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，IGBT）自1986年開始正式生產并逐漸系列化以來，其封裝質量及可靠性一直影響著其在工業控制，機車牽引，電力系統等大功率應用領域的使用及推廣。

IGBT作為電力電子系統的一種關鍵電力半導體器件已經持續增長了若干年，這是因為它使電力電子裝置和設備實現了更高的效率，也實現了小型化的設計。這就意味著IGBT器件的應用領域已經擴展到很寬的范圍，不僅在工業中，而且在許多其他功率變換系統中，它已經取代了大功率雙極晶體管（GTR），甚至出現替代門關斷晶閘管（GTO）的現實趨勢。

由于硅材料承受電壓的極限的限制，現有的IGBT器件的最高電壓為6500V，而高達幾十甚至上百kV電壓應用的裝置中，IGBT的應用多以串聯形式使用，每個閥段需要多達幾十只IGBT器件串聯，為保證安裝，運輸過程中的安全性，常常需要施加高達100kN的緊固力，普通的模塊及傳統的壓接式器件很難滿足這樣的緊固力要求。

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，芯片背面通過焊料與陶瓷覆銅面焊接，正面通過鍵合線連接到陶瓷覆銅面，陶瓷覆銅面通過刻蝕形成連接正負電極的不同區域。作為非氣密性封裝，模塊內部通過灌注硅凝膠或環氧樹脂等絕緣材料來隔離芯片與外界環境（水，氣，灰塵）的接觸，縮短器件的使用壽命。

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現全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導致的器件失效。

在傳統的壓接式功率器件設計中，因為要滿足芯片的無焊接連接需求，芯片往往直接通過壓力接觸與電極連接，并考慮到熱膨脹系數（CTE）與硅片的匹配，選擇鉬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，不可能過大，否則會損壞芯片。

實用新型內容

針對現有技術的不足，本實用新型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現全壓接式接觸，消除了因焊接疲勞導致的器件失效。與傳統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，有效提高器件串聯使用時的緊固力，不再受功率芯片壓力承受極限的限制，滿足多個器件串聯使用的要求。

本實用新型的目的是采用下述技術方案實現的：

本實用新型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構，其改進之處在于：所述功率器件包括從上到下依次設置的第一接觸電極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1軸向垂直的方向上對稱設有框架6；所述第一接觸電極7和第二接觸電極8通過殼體9互相連接，在第一輔助件2一側依次設有導電觸片4及彈簧件5。

進一步地，所述彈簧件5安裝在第一接觸電極7內，且與導電觸片4垂直設置。

進一步地，所述彈簧件5通過非焊接或燒結方式安裝在導電觸片4上。

進一步地，所述彈簧件5為蝶形彈簧或能夠提供不小于1kN緊固力的彈簧組件。

進一步地，所述導電觸片4采用具有高延展性及高電導率的金屬片，包括銅、銀和鉬；

所述導電觸片4與第一輔助件2之間機械連接，且連接位置成凹陷狀，所述凹陷狀的面積由框架6和芯片1的尺寸決定；

所述導電觸片4與框架6之間通過機械連接。

進一步地，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匹配的金屬材質，包括鎢和鉬；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1-2mm。

進一步地，所述框架6與芯片1之間為機械裝配；所述框架6采用纖維復合材料制成，能承受不小于100kN的壓力，用于保持框架6的穩定性。

進一步地，所述芯片1為半導體材料片，包括至少一個絕緣柵雙極晶體管IGBT或至少一個續流二極管FWD。

進一步地，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稱設有殼體9并通過殼體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。

進一步地，所述芯片1、第一輔助件2、第二輔助件3、導電觸片4、彈簧件5和框架6均被封裝在氣密性組件內。