[發明專利]一種壓變型壓接式封裝功率模塊及其熱阻網絡模型建模方法

有效

• 申請號: 202011176936.1
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112290773B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 李武華;常垚;羅皓澤;周宇;朱安康;李楚杉;何湘寧
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H01L23/367;G06F30/367;G06F119/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種壓變型壓接式封裝功率模塊及其熱阻網絡模型建模方法，所述壓變型壓接式封裝功率模塊包括自上而下依次設置的集電極散熱器、集電極絕緣膜、集電極銅排、并聯的通流芯片單元、絕緣壓載夾具、銅排間絕緣膜、發射極銅排、發射極絕緣膜和發射極散熱器；所述熱阻建模方法利用線性網絡中多端口拓撲的等效轉換法則，將復合型熱阻網絡進行解耦，得到芯片自熱等效熱阻抗和芯片間耦合等效熱阻抗；本發明采用了壓力可變的壓接式封裝結構，實現了寬范圍壓力可調的壓接封裝，解決了現有壓接封裝功率模塊壓力難以靈活調整的問題，并建立了該模塊對應的壓變型熱阻網絡及其等效簡化模型，反映了壓接式封裝功率模塊中的芯片結溫運行及耦合規律。

技術領域

本發明屬于電力電子器件技術領域，具體涉及一種壓變型壓接式封裝功率模塊及其熱阻網絡模型建模方法。

背景技術

壓接式封裝功率模塊具有短路模式失效、寄生電感低、雙面散熱等優點，現廣泛應用于冶金軋機、高壓直流輸電、軌道牽引等大容量變流設備中。現有的壓接式封裝功率模塊以集中式壓接受力方式為主，如圖1所示為現有典型的集中式壓接封裝模組，包括彈簧鋼板1，半球形鋼杯2，高強度鋼板3，散熱器4，壓接式功率模塊5，軛板6，銅排7，硅油等潤滑液8。其中彈簧鋼板1起到緩沖熱膨脹應力的作用，半球形鋼杯2用以確保壓力垂直于壓接式功率模塊5表面，高強度鋼板3用以確保壓力均勻分布于散熱器4和壓接式功率模塊5上，銅排7連接電氣端口和壓接封裝模組，硅油等潤滑液8用來減少接觸熱阻和避免腐蝕；彈簧鋼板1和軛板6關于整個壓接封裝模組對稱，通過擠壓半球形鋼杯2產生機械應力和形變，并將周圍螺母和螺柱固定咬合以維持形變。

這種集中式壓接技術便于進行模塊在垂直于表面的方向上連接以提高功率等級，然而尚有以下不足需要優化：(1)由于每個壓接式封裝功率模塊具有不同的尺寸公差，且在壓接封裝模組中的不同位置上有不同的受力特征，每個模塊需要靈活調整壓接力以適配壓接模組要求，然而集中式壓接技術難以對單個模塊的受力進行調整；(2)現有的壓接式封裝功率模塊采用封閉式結構，集中式壓接技術也具有緊湊特征，難以進行直接的結溫測量，無法反映集中式壓接封裝模組中各個模塊的熱應力分布；(3)壓接式封裝功率模塊內多個通流芯片單元并聯，其芯片自熱效應和熱耦合效應均與壓力相關，集中式壓接技術難以反映變機械應力工況下各芯片互相耦合的熱行為。

發明內容

針對上述不足，本發明第一方面提供了一種壓變型壓接式封裝功率模塊，將圖1中與壓接式封裝功率模塊共軸的集中式壓接夾具分布化排列，且以芯片尺寸為基準縮小其體積，環繞分布于通流芯片單元周圍，便于調整各個芯片所受的機械壓強；同時將通流芯片單元的發射極與分立的銅排連接，以銅排端口的熱應力反映芯片熱應力；各個互相耦合的芯片之間的熱行為，將通過該模塊對應的壓變型復合熱網絡進行解析。

為了實現上述目的，所述壓變型壓接式封裝功率模塊包括一個或相互并聯的多個通流芯片單元，絕緣壓載夾具，以及自上而下依次緊貼設置的集電極散熱器、集電極絕緣膜、集電極銅排、銅排間絕緣膜、發射極銅排、發射極絕緣膜和發射極散熱器；

所述集電極散熱器、集電極絕緣膜、集電極銅排、銅排間絕緣膜、發射極銅排、發射極絕緣膜、發射極散熱器上開有大小一致、位置對齊的孔，所述絕緣壓載夾具至上而下穿過所述的孔并分別與集電極散熱器、發射極散熱器通過螺紋配合緊固；

所述集電極銅排下表面、發射極銅排上表面相對應的位置設有正對的定位凹面，所述定位凹面用于安裝和定位通流芯片單元，通流芯片單元上表面與集電極銅排的定位凹面緊貼，下表面與發射極銅排的定位凹面緊貼。

作為本發明的優選，所述通流芯片單元包括至上而下依次緊貼設置的集電極鉬片、芯片、發射極鉬片和發射極鋁片；集電極銅排下表面定位凹面的長寬尺寸與通流芯片單元中集電極鉬片和芯片的尺寸一致，發射極銅排上表面定位凹面的長寬尺寸與通流芯片單元中發射極鉬片和鋁墊片的尺寸一致；通流芯片單元的集電極(陰極或K極)和發射極(陽極或A極)分別與集電極銅排、發射極銅排的凹面分別貼緊。