一种基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率模块

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的有益效果在于：

1、本发明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。

2、本发明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。

3、本发明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，本发明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。

本发明的其他优点、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，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明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

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为传统压接型IGBT功率器件的封装结构示意图；

图2为本发明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；

图3为本发明图2中IGBT功率芯片的结构示意图；

图4为本发明图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；

图5为本发明基于梯度功能复合材料封装的压接型IGBT功率器件并联而成的压接型IGBT功率模块的结构示意图。

附图标记：集电极铜层1、集电极钼层2、IGBT功率芯片3、IGBT功率芯片发射极栅极31、IGBT功率芯片发射极有源区32、IGBT功率芯片集电极33、IGBT功率芯片发射极34、栅极弹簧顶针4、发射极钼层5、发射极银垫片6、封装外壳支架7、铜底座8、栅极PCB板9、发射极铜层10、集电极金属层11、集电极梯度功能复合材料层12、发射极梯度功能复合材料层13、发射极金属层14、IGBT子模块15、反向续流二极管16。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示的一种传统压接型IGBT功率模块，包括同轴设置的集电极铜层和发射极铜层，集电极铜层1和发射极铜层10之间压接有1个IGBT子模块。

IGBT子模块包括从上到下依次压接的集电极钼层2、IGBT功率芯片3、发射极钼层5、发射极银垫片6、铜底座8和栅极PCB板9，发射极钼层5、发射极银垫片6和铜底座8形状均为带缺口的长方体，压接后的集电极钼层2、IGBT功率芯片3、发射极钼层5、发射极银垫片6、铜底座8外套装封装外壳支架7，压接后发射极钼层5、发射极银垫片6和铜底座8的缺口内放置有栅极弹簧顶针4。

如图2～5所示的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11和发射极金属层14，集电极金属层11和发射极金属层14之间压接有若干个并联连接的IGBT子模块。集电极金属层为圆柱形，由铜或铝等高导电、高导热的材料制成，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，可按8mm

图2所示为集电极金属层和发射极金属层之间压接有1个IGBT子模块15，图5所示为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，各个IGBT子模块通过栅极PCB板相连接，然后引出至整个IGBT功率模块的栅极驱动端子，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16。

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12、IGBT功率芯片3、发射极梯度功能复合材料层13、铜底座8和栅极PCB板9，发射极梯度功能复合材料层13和铜底座8形状均为带缺口的长方体，压接后的集电极梯度功能复合材料层12、IGBT功率芯片3、发射极梯度功能复合材料层13和铜底座8外套装封装外壳支架7，压接后发射极梯度功能复合材料层13和铜底座8的缺口内放置有栅极弹簧顶针4。

集电极梯度功能复合材料层12由新型复合材料制成，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，形状与IGBT功率芯片尺寸一致；集电极梯度功能复合材料层用于连接集电极金属层和IGBT功率芯片，利用集电极梯度功能复合材料层的梯度功能复合材料将IGBT功率芯片和集电极金属层进行连接。

栅极弹簧顶针4由铜制成，放置于IGBT功率芯片发射极栅极31区域正下方，IGBT子模块压接后，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；

发射极梯度功能复合材料层13由新型复合材料制成，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，形状为一角带缺口的长方体，长宽与IGBT功率芯片的有源区尺寸相对应，缺口处长宽略大于弹簧顶针直径；

铜底座8为一角带缺口的长方体，其形状与IGBT功率芯片发射极有源区32尺寸一致，缺口尺寸略大于弹簧顶针直径；

栅极PCB板9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。栅极PCB板为IGBT功率芯片、栅极弹簧顶针与外部驱动信号连接的媒介。

IGBT功率芯片3的栅区经由栅极弹簧顶针连接至PCB板后连接至模块的栅极驱动端子、芯片有源区域面积与发射极梯度功能复合材料的面积相等。集电极梯度功能复合材料层12，由多种材料复合而成，具有高导电率、高导热率，其与IGBT功率芯片集电极表面接触一侧材料的硬度且与IGBT功率芯片集电极33表面材料相同，热膨胀系数与IGBT功率芯片集电极33表面材料的热膨胀系数差值在5％以内，与集电极金属层表面接触的材料与梯度功能复合材料层的热膨胀系数差值在5％以内。

发射极梯度功能复合材料层13，由多种材料复合而成，具有高导电率、高导热率，与IGBT功率芯片发射极表面接触一侧材料的硬度与IGBT功率芯片发射极34表面材料相同，热膨胀系数与IGBT功率芯片发射极34表面材料的热膨胀系数的差值在5％以内，与铜底座表面接触的材料与铜的热膨胀系数差值在5％以内；

栅极PCB板9是IGBT功率芯片栅极弹簧顶针与外部驱动控制电路的载体，栅极PCB板传递的驱动信号经由栅极弹簧顶针控制IGBT功率芯片通断；

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。