CN108281405A - 一种功率器件封装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率器件封装结构及方法，该功率器件封装结构包括：第一组件、至少一个发射极上金属片和至少一个功率器件，至少一个发射极上金属片与至少一个功率器件一一对应设置；第一组件从上至下依次包括发射极顶板、第一弹簧、挡板及第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧均为至少一个，第一弹簧、第二弹簧与发射极上金属片一一对应设置；第一组件设置在至少一个发射极上金属片上，至少一个发射极上金属片设置在至少一个功率器件上，功率器件的发射极在功率器件上侧；功率器件的栅极在功率器件上侧，通过栅极探针连接至挡板上。相比现有采用引线键合的方式将功率器件的栅极引出的方案，本发明避免了寄生电感的增加，增强了功率器件的可靠性。

Description

一种功率器件封装结构及方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种功率器件封装结构及方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)属于电压控制型电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、开关速度快、工作频率高、元件容量大、无吸收电路等优点，已广泛应用于工业变流、电力牵引等领域。压接封装是大功率IGBT最新的封装形式，与传统的焊接型IGBT(Soldered IGBTModule)相比，压接型IGBT(Press-pack IGBT)利用压力实现热力学和电气的连接，并保证了双面散热。因此，压接型IGBT被认为是大功率以及输出功率有大幅波动的应用场合的理想器件，能满足高压直流输电和新能源并网对开关器件的要求，且可靠性很高，能满足电力系统对供电高可靠性的要求。

目前，压接型IGBT主要分为刚性电极压接和碟簧的弹性电极压接。刚性压接中，芯片同上下两侧的电极刚性接触，压力均布效果较差。弹性电极压接通过将芯片一侧的刚性电极更改为弹性电极，有效提升了压力分布的均匀性。

在目前的弹性电极压接中，功率芯片上的栅极通过引线键合的方式引出，这种方式一方面会使寄生电感增加，另一方面，引线键合可靠性要弱于全压接接触方式，因此，长期服役条件下，引线键合方式更容易存在失效隐患。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明提出了一种功率器件封装结构及方法，用以解决现有弹性电极压接技术中，通过引线键合的方式将功率器件的栅极引出，寄生电感增加及可靠性低的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种功率器件封装结构，包括：第一组件、至少一个发射极上金属片和至少一个功率器件，所述至少一个发射极上金属片与所述至少一个功率器件一一对应设置；所述第一组件从上至下依次包括发射极顶板、第一弹簧、挡板及第二弹簧，所述第一弹簧和第二弹簧均为至少一个，且所述第一弹簧、第二弹簧与所述发射极上金属片一一对应设置；所述第一组件设置在所述至少一个发射极上金属片上，所述至少一个发射极上金属片设置在所述至少一个功率器件上，所述功率器件的发射极在所述功率器件的上侧；所述功率器件的栅极在所述功率器件的上侧，通过栅极探针连接至所述挡板上。

在一实施例中，所述栅极探针为贴片式弹簧探针。

在一实施例中，各所述功率器件的栅极在所述挡板上并联后，从所述挡板引出至所述功率器件封装结构的顶部。

在一实施例中，所述第一组件的材料为铜或铜与锡的合金。

在一实施例中，所述功率器件封装结构还包括：集电极底板和绝缘框架；所述功率器件固定设置于所述集电极底板上，所述功率器件的集电极位于所述功率器件的下侧；所述绝缘框架与所述集电极底板之间固定连接。

在一实施例中，所述发射极上金属片和集电极底板的材质相同，为金属钼或金属基复合材料可伐合金；所述金属基复合材料可伐合金为金属钼与硅的合金或金属钼与铝的合金。

本发明还提供一种功率器件封装方法，包括：采用一体成型工艺制备发射极顶板、第一弹簧、挡板和第二弹簧，形成第一组件；将至少一个发射极上金属片设置在至少一个功率器件上，所述功率器件的发射极在所述功率器件的上侧，所述发射极上金属片与所述功率器件一一对应设置；将所述第一组件设置在所述至少一个发射极上金属片上，所述第一弹簧、第二弹簧与所述发射极上金属片一一对应设置；通过栅极探针将所述功率器件的栅极引出至所述挡板上。

在一实施例中，所述功率器件封装方法还包括：将所述至少一个功率器件固定设置在集电极底板上；将所述集电极底板与绝缘框架固定连接。

本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：

本发明提供了一种功率器件封装结构及方法，该功率器件封装结构包括：第一组件、至少一个发射极上金属片和至少一个功率器件，至少一个发射极上金属片与至少一个功率器件一一对应设置；第一组件从上至下依次包括发射极顶板、第一弹簧、挡板及第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧均为至少一个，且第一弹簧、第二弹簧与发射极上金属片一一对应设置；第一组件设置在至少一个发射极上金属片上，至少一个发射极上金属片设置在至少一个功率器件上，功率器件的发射极在功率器件的上侧；功率器件的栅极在功率器件的上侧，通过栅极探针连接至挡板上。相比于现有采用引线键合的方式将功率器件的栅极引出的方案，本发明避免了寄生电感的增加，增强了功率器件的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中功率器件封装结构的一个具体示例的示意图；

图2为本发明实施例中功率器件封装结构的另一个具体示例的示意图；

图3为本发明实施例中功率器件封装结构的另一个具体示例的示意图；

图4为本发明实施例中功率器件封装结构的另一个具体示例的示意图；

图5为本发明实施例中功率器件封装方法的一个具体示例的流程图；

图6为本发明实施例中功率器件封装方法的另一个具体示例的流程图；

图7为本发明实施例中功率器件封装方法的另一个具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种功率器件封装结构，如图1所示，该功率器件封装结构包括：第一组件1、至少一个发射极上金属片2和至少一个功率器件3，至少一个发射极上金属片2与至少一个功率器件3一一对应设置；第一组件1从上至下依次包括发射极顶板11、第一弹簧12、挡板13及第二弹簧14，第一弹簧12和第二弹簧14均为至少一个，且第一弹簧12、第二弹簧14与发射极上金属片2一一对应设置；第一组件1设置在至少一个发射极上金属片2上，至少一个发射极上金属片2设置在至少一个功率器件3上，功率器件3的发射极在功率器件3的上侧；功率器件3的栅极在功率器件3的上侧，通过栅极探针4连接至挡板13上。

本发明实施例提供的功率器件封装结构，通过栅极探针4将功率器件3的栅极引出，相比现有技术中引线键合的方式，避免了寄生电感的增加，增强了功率器件3的可靠性。

本发明实施例提供的功率器件封装结构为功率器件单个模组，上述第一弹簧12、第二弹簧14、发射极上金属片2及功率器件3为一个或多个，且数量相同，具体实施时，可以通过改变功率器件3的并联数量对单个模组的电流容量进行调节；另外地，也可以通过将多个单个模组并联实现对功率器件的扩容。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述第一组件1可为一体成型结构，具体可采用3D打印技术制备，该第一组件1的材料为铜或铜与锡的合金。上述功率器件3可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，该功率器件3的栅极在功率器件3的上侧，通过栅极探针4焊接至上述第一组件1的挡板13上，该栅极探针4可以是末端扁平的贴片式弹簧探针；各功率器件3的栅极在挡板13上并联后从挡板13的长边边缘通过一引出件引出至整个功率器件封装结构的顶部，该引出件的一端焊接于挡板13上，另一端通过发射极顶板11长边边缘上的弧形孔引出，相比于从功率器件封装结构的侧面引出的方案，缩小了整个功率器件封装结构的面积和体积。可选地，在本发明的一些实施例中，上述功率器件3也可以是快恢复二极管(FRD)。

如图2所示，本发明实施例提供的功率器件封装结构还包括：集电极底板5，功率器件3以烧结或焊接的方式固定设置于集电极底板5上，功率器件3的集电极位于功率器件3的下侧，集电极底板5与发射极顶板11的形状相同，可以是圆形或方形。

在一优选实施例中，为避免功率器件3在经受温度循环工况时，由于不同材料之间的热膨胀系数差异，导致热失配产生的热应力对功率器件3造成损伤，上述集电极底板5与发射极上金属片2采用相同材质，该材质可以是金属钼或金属基复合材料可伐合金，金属基复合材料可伐合金为金属钼与硅的合金或金属钼与铝的合金，并且，发射极上金属片2与集电极底板5的热膨胀系数与功率器件3的热膨胀系数相近，该热膨胀系数为6±2ppm/℃，以提高功率器件3抗温度循环、功率循环的可靠性。

如图2和图4所示，本发明实施例提供的功率器件封装结构还包括：绝缘框架6，该绝缘框架6与集电极底板5之间通过粘接剂固定连接。

如图3所示，在另一实施例中，功率器件封装结构还可以包括PCB板7，该PCB板7粘接或贴装于上述第一组件1的挡板13的下表面上，在该实施例中，功率器件3的栅极通过栅极探针4焊接于PCB板7上，在该PCB板7上并联后引出，引出方式与上述实施例相同，在此不再赘述。采用PCB板7的方式，一方面成本低且制作简单，另一方面可以增加电容，降低寄生参数对多芯片并联均流的影响。

本发明实施例还提供一种功率器件封装方法，如图5所示，该功率器件封装方法包括：

步骤S1：采用一体成型工艺制备发射极顶板11、第一弹簧12、挡板13和第二弹簧14，形成第一组件1。

可选地，在本发明的一些实施例中，可以是通过3D打印工艺，制作上述的发射极顶板11、第一弹簧12、挡板13及第二弹簧14，从而构成第一组件1。

步骤S2：将至少一个发射极上金属片2设置在至少一个功率器件3上，功率器件3的发射极在功率器件3的上侧，发射极上金属片2与功率器件3一一对应设置。

步骤S3：将第一组件1设置在至少一个发射极上金属片2上，第一弹簧12、第二弹簧14与发射极上金属片2一一对应设置。

步骤S4：通过栅极探针4将功率器件3的栅极引出至挡板13上。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述功率器件3可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，该功率器件3的栅极在功率器件3的上侧，通过栅极探针4焊接至上述第一组件1的挡板13上，该栅极探针4可以是末端扁平的贴片式弹簧探针；各功率器件3的栅极在挡板13上并联后从挡板13的长边边缘通过一引出件引出至整个功率器件封装结构的顶部，该引出件的一端焊接于挡板13上，另一端通过发射极顶板11长边边缘上的弧形孔引出，相比于从功率器件封装结构的侧面引出的方案，缩小了整个功率器件封装结构的面积和体积。可选地，在本发明的一些实施例中，上述功率器件3也可以是快恢复二极管(FRD)。

通过上述步骤S1至步骤S4，本发明实施例提供的功率器件封装方法，通过栅极探针4将功率器件3的栅极引出，相比现有技术中引线键合的方式，避免了寄生电感的增加，增强了功率器件的可靠性。

如图6所示，本发明实施例提供的功率器件封装方法还包括：

步骤S5：将至少一个功率器件3固定设置在集电极底板5上。

可选地，在本发明的一些实施例中，功率器件3可以是以烧结或焊接的方式固定设置于集电极底板5上，功率器件3的集电极位于功率器件3的下侧，集电极底板5与发射极顶板11的形状相同，可以是圆形或方形。

步骤S6：将集电极底板5与绝缘框架6固定连接。

可选地，在本发明的一些实施例中，绝缘框架6与集电极底板5之间可以是通过粘接剂固定连接。

如图7所示，在另一实施例中，在上述步骤S3之后，步骤S4之前，还可以包括：步骤S41：将PCB板7连接至挡板13的下表面上。对应地，上述步骤S4变为步骤S42：通过栅极探针4将功率器件3的栅极引出至PCB板7上。可选地，在本发明的一些实施例中，PCB板7可以是粘接或贴装于挡板13的下表面上，功率器件3的栅极通过栅极探针4焊接于PCB板7上。采用PCB板7的方式，一方面成本低且制作简单，另一方面可以增加电容，降低寄生参数对多芯片并联均流的影响。

采用本发明实施例提供的功率器件封装方法，得到的为功率器件单个模组，具体实施时，可以通过改变功率器件3的并联数量对单个模组的电流容量进行调节；另外地，也可以通过将多个单个模组并联实现对功率器件的扩容。

关于功率器件封装结构中各部分的材料等的具体细节已在上述功率器件封装结构的实施例中做了详细描述，在此不再赘述。

需要说明的是，上述序号S1-S6不构成对本发明功率器件封装方法的顺序限定，各步骤之间只要不构成冲突就可以进行互换，本发明不以此为限。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括：第一组件(1)、至少一个发射极上金属片(2)和至少一个功率器件(3)，所述至少一个发射极上金属片(2)与所述至少一个功率器件(3)一一对应设置；

所述第一组件(1)从上至下依次包括发射极顶板(11)、第一弹簧(12)、挡板(13)及第二弹簧(14)，所述第一弹簧(12)和第二弹簧(14)均为至少一个，且所述第一弹簧(12)、第二弹簧(14)与所述发射极上金属片(2)一一对应设置；

所述第一组件(1)设置在所述至少一个发射极上金属片(2)上，所述至少一个发射极上金属片(2)设置在所述至少一个功率器件(3)上，所述功率器件(3)的发射极在所述功率器件(3)的上侧；

所述功率器件(3)的栅极在所述功率器件(3)的上侧，通过栅极探针(4)连接至所述挡板(13)上。

2.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其特征在于，所述栅极探针(4)为贴片式弹簧探针。

3.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其特征在于，各所述功率器件(3)的栅极在所述挡板(13)上并联后，从所述挡板(13)引出至所述功率器件封装结构的顶部。

4.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其特征在于，所述第一组件(1)的材料为铜或铜与锡的合金。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的功率器件封装结构，其特征在于，还包括：集电极底板(5)和绝缘框架(6)；

所述功率器件(3)固定设置于所述集电极底板(5)上，所述功率器件(3)的集电极位于所述功率器件(3)的下侧；

所述绝缘框架(6)与所述集电极底板(5)之间固定连接。

6.根据权利要求5所述的功率器件封装结构，其特征在于，所述发射极上金属片(2)和集电极底板(5)的材质相同，为金属钼或金属基复合材料可伐合金；

所述金属基复合材料可伐合金为金属钼与硅的合金或金属钼与铝的合金。

7.一种功率器件封装方法，其特征在于，包括：

采用一体成型工艺制备发射极顶板(11)、第一弹簧(12)、挡板(13)和第二弹簧(14)，形成第一组件(1)；

将至少一个发射极上金属片(2)设置在至少一个功率器件(3)上，所述功率器件(3)的发射极在所述功率器件(3)的上侧，所述发射极上金属片(2)与所述功率器件(3)一一对应设置；

将所述第一组件(1)设置在所述至少一个发射极上金属片(2)上，所述第一弹簧(12)、第二弹簧(14)与所述发射极上金属片(2)一一对应设置；

通过栅极探针(4)将所述功率器件(3)的栅极引出至所述挡板(13)上。

8.根据权利要求7所述的功率器件封装方法，其特征在于，还包括：

将所述至少一个功率器件(3)固定设置在集电极底板(5)上；

将所述集电极底板(5)与绝缘框架(6)固定连接。