[发明专利]一种全压接式功率器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件，具体涉及一种全压接式功率器件。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）自1986年开始正式生产并逐渐系列化以来，其封装质量及可靠性一直影响着其在工业控制，机车牵引，电力系统等大功率应用领域的使用及推广。

IGBT作为电力电子系统的一种关键电力半导体器件已经持续增长了若干年，这是因为它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，也实现了小型化的设计。这就意味着IGBT器件的应用领域已经扩展到很宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管（GTR），甚至出现替代门关断晶闸管（GTO）的现实趋势。

由于硅材料承受电压的极限的限制，现有的IGBT器件的最高电压为6500V，而高达几十甚至上百kV电压应用的装置中，IGBT的应用多以串联形式使用，每个阀段需要多达几十只IGBT器件串联，为保证安装，运输过程中的安全性，常常需要施加高达100kN的紧固力，普通的模块及传统的压接式器件很难满足这样的紧固力要求。

大功率IGBT的封装通常有两种形式，一种是底板绝缘模块式封装，由底板，覆铜陶瓷基板，绝缘外壳等组成，芯片背面通过焊料与陶瓷覆铜面焊接，正面通过键合线连接到陶瓷覆铜面，陶瓷覆铜面通过刻蚀形成连接正负电极的不同区域。作为非气密性封装，模块内部通过灌注硅凝胶或环氧树脂等绝缘材料来隔离芯片与外界环境（水，气，灰尘）的接触，缩短器件的使用寿命。

另外一种为类晶闸管，平板压接式封装，由陶瓷管壳及铜电极组成，芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT封装由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。

在传统的压接式功率器件设计中，因为要满足芯片的无焊接连接需求，芯片往往直接通过压力接触与电极连接，并考虑到热膨胀系数（CTE）与硅片的匹配，选择钼作为辅助件安装在芯片与电极之间。器件的紧固力受到芯片承受压力极限的限制，不可能过大，否则会损坏芯片。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全压接式功率器件，该功率器件为类晶闸管，采用平板压接式封装，功率芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT器件由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，消除了因焊接疲劳导致的器件失效。与传统IGBT模块作为单一器件使用相比，芯片紧固力与器件紧固力由不同的器件分别提供，有效提高器件串联使用时的紧固力，不再受功率芯片压力承受极限的限制，满足多个器件串联使用的要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种全压接式功率器件，所述功率器件为平板压接式封装结构，其改进之处在于：所述功率器件包括从上到下依次设置的第一接触电极7、第一辅助件2、芯片1、第二辅助件3和第二接触电极8；与所述芯片1轴向垂直的方向上对称设有框架6；所述第一接触电极7和第二接触电极8通过壳体9互相连接，在第一辅助件2一侧依次设有导电触片4及弹簧件5；

外界施加于所述功率器件的紧固力通过第一接触电极7、框架6和第二接触电极8来承受，所述芯片1的紧固力通过安装在第一接触电极7内的弹簧件5来提供。

进一步地，所述弹簧件5安装在第一接触电极7内，且与导电触片4垂直设置。

进一步地，所述弹簧件5通过非焊接或烧结方式安装在导电触片4上。

进一步地，所述弹簧件5为蝶形弹簧或能够提供不小于1kN紧固力的弹簧组件。

进一步地，所述导电触片4采用具有高延展性及高电导率的金属片，包括铜、银和钼；

所述导电触片4与第一辅助件2之间机械连接，且连接位置成凹陷状，所述凹陷状的面积由框架6和芯片1的尺寸决定；

所述导电触片4与框架6之间通过机械连接。

进一步地，其中第一辅助件2和第二辅助件3采用与硅片热膨胀系数匹配的金属材质，包括钨和钼；所述第一辅助件2和第二辅助件3的形状均为方形薄片，厚度均为1-2mm。

进一步地，所述框架6与芯片1之间为机械装配；所述框架6采用纤维复合材料制成，能承受不小于100kN的压力，用于保持框架6的稳定性。

进一步地，所述芯片1为半导体材料片，包括至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT或至少一个续流二极管FWD。

进一步地，在所述第一接触电极7和第二接触电极8的轴向垂直的方向上对称设有壳体9并通过壳体9互相连接；

所述壳体9、第一接触电极7和第二接触电极8组成气密性组件。