[發明專利]一種基于梯度功能復合材料封裝的壓接型IGBT功率模塊

在審

• 申請號: 202110302829.7
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN112908955A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 張豫川;鐘星立;龍海洋
• 申請（專利權）人: 中冶賽迪工程技術股份有限公司;中冶賽迪技術研究中心有限公司
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/373;H01L23/10;H01L29/739;H01L25/07
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 陰知見

本發明涉及一種基于梯度功能復合材料封裝的壓接型IGBT功率模塊，集電極金屬層和發射極金屬層之間IGBT子模塊包括從上到下依次壓接的集電極梯度功能復合材料層、IGBT功率芯片、發射極梯度功能復合材料層、銅底座和柵極PCB板，壓接后的IGBT子模塊外套裝封裝外殼支架，壓接后發射極梯度功能復合材料層和銅底座的缺口內放置有柵極彈簧頂針，集電極梯度功能復合材料層與集電極金屬層和IGBT功率芯片集電極表面以及發射極梯度功能復合材料層與IGBT功率芯片的發射極表面和銅底座的熱膨脹系數相匹配，解決現有壓接型IGBT功率模塊中IGBT功率芯片與封裝材料組件間熱膨脹系數不匹配導致組件界面電熱接觸性能下降、散熱效率降低、器件使用壽命縮短的問題。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件領域，涉及一種基于梯度功能復合材料封裝的壓接型IGBT功率模塊。

背景技術

相比焊接封裝結構的IGBT功率模塊，壓接封裝結構的IGBT功率模塊具有高功率密度、雙面散熱、低通態損耗、抗沖擊能力強、通流能力大、失效短路和易于串聯等優點，適合柔性直流輸電系統中MMC換流閥等高壓、大容量電力裝備的應用工況，采用數量較少的壓接型IGBT功率模塊便可滿足MMC換流閥的電壓等級和容量需求，有效降低了大容量電力裝備的集成制造和運維難度，具有廣闊的市場和應用前景。

傳統壓接型IGBT功率器件的封裝結構示意圖如圖1所示，由七層封裝材料構成，IGBT功率芯片工作時各層封裝組件界面間依靠壓力接觸實現電熱傳導，由于各層組件材料的熱膨脹系數不匹配，器件工作時IGBT功率芯片與剛性封裝材料的膨脹變形不一致，導致IGBT功率芯片發射極表面與剛性組件不斷接觸摩擦、擠壓，使得IGBT功率芯片表面產生凹痕，加速了功率器件的疲勞失效過程；且熱膨脹系數不匹配導致組件間有效接觸面積在交變的熱應力作用下逐漸減小，影響IGBT功率器件工作時的電傳導和熱傳導效率，導致器件的接觸電阻和接觸熱阻值增大，工作損耗增加、散熱效率降低，縮短了整個壓接型IGBT功率模塊的使用壽命。

發明內容

有鑒于此，本發明為了解決現有壓接型IGBT功率模塊中IGBT功率芯片與封裝材料組件間熱膨脹系數不匹配導致組件間有效接觸面積在交變的熱應力作用下逐漸減小，導致組件界面電熱接觸性能下降、散熱效率降低、器件使用壽命縮短的問題，提供一種基于梯度功能復合材料封裝的壓接型IGBT功率模塊，實現IGBT功率芯片與封裝材料間熱膨脹系數的最佳匹配，提高IGBT功率器件工作時的電傳導和熱傳導性能，延長器件的使用壽命。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基于梯度功能復合材料封裝的壓接型IGBT功率模塊，包括同軸設置的集電極金屬層和發射極金屬層，集電極金屬層和發射極金屬層之間壓接有IGBT子模塊，IGBT子模塊包括從上到下依次壓接的集電極梯度功能復合材料層、IGBT功率芯片、發射極梯度功能復合材料層、銅底座和柵極PCB板，發射極梯度功能復合材料層和銅底座形狀均為帶缺口的長方體，壓接后的IGBT子模塊外套裝封裝外殼支架，壓接后發射極梯度功能復合材料層和銅底座的缺口內放置有柵極彈簧頂針，集電極梯度功能復合材料層分別與集電極金屬層和IGBT功率芯片集電極表面的熱膨脹系數相匹配，發射極梯度功能復合材料層分別與IGBT功率芯片的發射極表面和銅底座的熱膨脹系數相匹配。