[發(fā)明專利]一種壓接式絕緣型電力半導(dǎo)體模塊的共用電極

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410335234.1
• 申請(qǐng)日: 2014-07-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104253098A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王耀先
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 襄陽(yáng)硅海電子股份有限公司
• 主分類號(hào): H01L23/48
• 分類號(hào): H01L23/48
• 代理公司: 襄陽(yáng)中天信誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 42218
• 代理人: 何靜月;馮媛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壓接式絕緣型電力半導(dǎo)體模塊的共用電極。

背景技術(shù)

電力半導(dǎo)體模塊有焊接式和壓接式兩大類，同時(shí)又各有絕緣型和非絕緣型兩種。圖1示出了普通的壓接式絕緣型模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。它是將電力半導(dǎo)體芯片（整流管、晶閘管、GRT、NOSFET、IGBT……等）通過(guò)模塊結(jié)構(gòu)件壓裝在模塊銅底板上，所有電極都從模塊上端引出，所有電極和銅底板之間用陶瓷片（Al₂O₃、AlN、BeO等）作導(dǎo)熱和電絕緣，模塊工作時(shí)，銅底板是不帶電的。各電極和銅底板之間的絕緣電壓VISO要達(dá)到2500V（A·C）以上，以保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于各芯片之間的連接已在模塊內(nèi)部完成，加之銅底板不帶電，這樣，整機(jī)（裝置）的設(shè)計(jì)者可以把多個(gè)模塊安裝在同一個(gè)散熱器上，把它們連接成各種電路，從而大大地簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。加之模塊的外形尺寸和安裝尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，因而它與同容量的分立器件連接成的電路相比，具有外接線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，互換性好，安裝和維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，它已成為分立器件的更新?lián)Q代產(chǎn)品，已被廣泛地應(yīng)用在機(jī)電行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域：如加熱控溫、電機(jī)調(diào)速、軟起動(dòng)、無(wú)功補(bǔ)償、變頻和逆變等諸多領(lǐng)域。

在壓接式絕緣型模塊的制造中，如圖1中的陶瓷片，它起著導(dǎo)熱和絕緣的雙重作用，它對(duì)降低模塊結(jié)殼熱阻，提高模塊的通態(tài)能力（電流）起著很大的作用，更是絕緣電壓要≥2500伏（A·C）的關(guān)鍵。目前在壓接式絕緣型模塊的制造中普遍采用氮化鋁（AlN）陶瓷（也有BeO的，但有毒）。

陶瓷本身硬而脆，抗壓強(qiáng)度很高，但抗彎強(qiáng)度很低，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，0.4mm厚的薄片（Φ35）在15MP的壓力下，陶瓷片并未碎裂，然后測(cè)其絕緣電壓，竟能測(cè)到10KV（A·C）（此值為測(cè)量?jī)x器的上限值）。另一試驗(yàn)是：MTC500A模塊，通常裝配時(shí)的最高壓力為14ＭＰ，但后來(lái)一直加大到30MP，裝完之后測(cè)其芯片性能良好，絕緣電壓也都≥2500伏（A·C）。當(dāng)然這些試驗(yàn)都是在各結(jié)構(gòu)件（包括共用電極）、芯片、陶瓷片、銅底板的平整度、粗糙度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢查后進(jìn)行裝配的。上述兩個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明：在通常的裝配250A模塊時(shí)用10～12MP、500A模塊用12～14MP的壓力是不會(huì)把陶瓷片壓碎裂的。

目前一般的企業(yè)在裝配模塊時(shí)，陶瓷片的碎片率都在10%以上，有的甚至高達(dá)20%以上，亦即絕緣電壓的合格率只能達(dá)到90%～80%。

圖2示出了從圖1分解下來(lái)的底下部分的理想結(jié)構(gòu)，其中的陶瓷片起著導(dǎo)熱和絕緣的雙重作用，陶瓷片上、下各接觸面的平整度、平行度、粗糙度都很好，共用電極打彎也都為直角，在這些理想的條件下，模塊組裝過(guò)程中，在10MP以上的壓裝下，陶瓷片、芯片是不會(huì)受到損壞的。但這種理想結(jié)構(gòu)是很難實(shí)現(xiàn)的。其中最大的問(wèn)題是共用電極的設(shè)計(jì)與加工，圖5示出了現(xiàn)有的雙晶閘管MTC250A模塊的共用電極設(shè)計(jì)圖，而實(shí)際加工出來(lái)的是變了形的圖3所示產(chǎn)品。它是經(jīng)過(guò)下料、退火、打彎整形工藝所形成的有缺陷的產(chǎn)品。其缺陷有二，一是打彎處有突出部，突出部尺寸d有0.1?mm—0.3mm，且晶體結(jié)構(gòu)受損，硬度增大。二是如圖3中的B-B視圖所示，打彎處的擠出部，兩側(cè)被擠出0.2mm以上，硬而鋒利。這兩種缺陷當(dāng)中，第一種缺陷最壞。

圖4示出了第一種缺陷在模塊裝配中的影響示意圖。圖中的大圓圈內(nèi)顯示，共用電極的突出部與陶瓷片的接觸面很小，在壓裝過(guò)程中，很容易把陶瓷片壓碎，絕緣電壓上不去，絕緣電壓要大于和等于2500V（A·C）的合格率一般只能在90%左右，這直接影響到模塊的成品率，由于氮化鋁（AlN）和氧化鈹（BeO）昂貴，它的成本也會(huì)增加，再加上返工工時(shí)的增加，使生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益大大降低。

圖3?中B-B視圖中的擠出部為第二缺陷，因?yàn)楣灿秒姌O是精準(zhǔn)地裝入模塊塑料底座上的，共用電極的擠出部將很難裝進(jìn)去，否則將塑料底座內(nèi)壁刮削而強(qiáng)壓下去，這過(guò)程將引起共用電極變形，也影響生產(chǎn)效率。刮削下來(lái)的塑料碎末掉落在共用電極與陶瓷片的界面上，嚴(yán)重時(shí)在加壓時(shí)把陶瓷片壓碎。

綜上所述，壓接式絕緣型模塊，它的成品率除了要求高性能的芯片外，對(duì)結(jié)構(gòu)件的要求也很高，這其中對(duì)共用電極要求就更高，但很少被人們所重視，即使重視了，也沒(méi)有找到它的要害。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種可有效降低碎片率的壓接式絕緣型電力半導(dǎo)體模塊的共用電極。