一种压接型功率芯片封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种压接型功率芯片封装结构。


背景技术：

2.igbt(insulated gate bipolar transistor)，又名绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,封装后的igbt模块直接应用于变频器、ups不间断电源等设备上，起到开关的作用。
3.目前功率igbt器件按封装工艺可分为焊接型与压接型两类。
4.大功率压接型igbt器件结合了igbt和gto两者的优点，具有双面散热、易于串联、高可靠性、短路失效以及电流容量大等特点。压接型igbt器件将多个igbt芯片并联以及多个二极管芯片反并联来获得器件的大电流能力。由于其具有高电压、大电流、控制功率低、开关速度高以及双面散热等优势，非常适合于电力机车牵引、大电流脉冲发生器等大功率应用场合。此外，压接型igbt器件还具有短路失效的特点，特别适合于冗余设计，因此压接型igbt器件是高压直流输电的理想器件。
5.然而，现有的压接型igbt器件的开关速度有待提高、开关损耗有待减小。


技术实现要素：

6.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中压接型igbt器件如何提高开关速度、减小开关损耗的问题，从而提供一种压接型功率芯片封装结构。
7.本实用新型提供一种压接型功率芯片封装结构，包括：相对设置的第一电极层和第二电极层；位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的功率芯片，所述功率芯片朝向所述第一电极层的一侧表面设置有集电极，所述功率芯片朝向所述第二电极层的一侧表面设置有栅极和发射极，所述发射极与所述第二电极层电学连接；位于所述第一电极层和所述第二电极层之间且位于所述功率芯片的侧部的复合连接板，所述复合连接板包括：第一绝缘板、位于所述第一绝缘板一侧的第一导电层、位于所述第一绝缘板背向所述第一导电层一侧表面的第二导电层，所述第一导电层和第二导电层均分别与所述第一电极层和第二电极层间隔；所述栅极通过第一键合线与所述第一导电层电学连接；所述发射极通过第二键合线与所述第二导电层电学连接。
8.可选的，还包括：栅极端子，所述栅极端子的一端与所述第一导电层连接；辅助发射极端子，所述辅助发射极端子的一端与所述第二导电层连接。
9.可选的，还包括：位于所述功率芯片和所述第二电极层之间的弹性导电组件，所述弹性导电组件电学连接所述发射极和所述第二电极层，且所述弹性导电组件与所述栅极分立。
10.可选的，所述弹性导电组件通过第三导电层与所述发射极电学连接，所述第三导电层的热膨胀系数大于所述功率芯片的热膨胀系数且小于所述弹性导电组件的热膨胀系
数。
11.可选的，所述弹性导电组件包括：导电插针，所述导电插针包括插针基座和凸出于所述插针基座表面的凸起部，所述插针基座位于所述凸起部和所述发射极之间与所述发射极电学连接；导电导向件，所述导电导向件包括第一导向件和与所述第一导向件连接的第二导向件，所述第二导向件与所述第二电极层连接，第一导向件的部分侧壁与所述凸起部的侧壁可滑动连接；弹性件，所述弹性件套设在所述第一导向件的外壁，所述弹性件的一端与所述第二导向件相抵，所述弹性件的另一端与所述插针基座相抵。
12.可选的，所述第一导电层位于所述第一绝缘板和所述第一电极层之间，所述第二导电层位于所述第一绝缘板和所述第二电极层之间；所述复合连接板还包括第二绝缘板和第三绝缘板；所述第二绝缘板位于所述第一导电层和所述第一电极层之间，所述第一导电层还与所述第二绝缘板背向第一电极层的一侧表面接触；所述第三绝缘板位于所述第二导电层和所述第二电极层之间，所述第二导电层还与所述第三绝缘板背向所述第二电极层的一侧表面接触。
13.可选的，所述第二绝缘板背向所述第一电极层的表面面积大于所述第一绝缘板朝向所述第一电极层的表面面积，与所述第二绝缘板接触的部分所述第一导电层位于所述第一绝缘板之外，所述第一键合线与位于所述第一绝缘板之外且位于所述第二绝缘板表面的所述第一导电层接触；所述第一绝缘板朝向所述第二电极层的表面面积大于所述第三绝缘板背向所述第二导电层的表面面积，与所述第一绝缘板接触的部分所述第二导电层位于所述第三绝缘板之外，所述第二键合线与位于所述第三绝缘板之外且位于所述第一绝缘板表面的所述第二导电层接触。
14.可选的，所述第二绝缘板通过第一焊接层与所述第一电极层固定连接；所述第三绝缘板通过第二焊接层与所述第二电极层固定连接。
15.可选的，还包括：管壳，所述管壳位于所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述管壳的一端与所述第一电极层固定连接，所述管壳的另一端与所述第二电极层可分离设置；所述栅极端子远离所述第一导电层的一端从所述管壳引出；所述辅助发射极端子远离所述第二导电层的一端从所述管壳引出。
16.可选的，所述第一绝缘板包括陶瓷绝缘板，所述第一导电层包括铜导电层，所述第二导电层包括铜导电层，所述第一电极层包括钼电极层。
17.本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
18.1.本实用新型提供的压接型功率芯片封装结构，栅极通过第一键合线与第一导电层电学连接，发射极通过第二键合线与第二导电层电学连接，第一导电层与第一电极层和第二电极层间隔，第二导电层与第一电极层和第二电极层间隔，由第一导电层、第一键合线、栅极、发射极、第二键合线和第二导电层形成的栅极驱动回路和由第一电极层、集电极、发射极和第二电极层形成的集射极功率回路形成并联结构，栅极驱动回路作为连接发射极和栅极的辅助回路实现了开尔文连接，使栅极驱动回路和集射极功率回路解耦，消除了功率芯片上的共射极杂散电感的影响，从而提高了功率芯片的开关速度、降低了功率芯片的开关损耗。
19.2.进一步，弹性导电组件位于功率芯片和第二电极层之间，功率芯片与第二电极层之间为弹性接触，弹性导电组件调节了功率芯片和复合连接板之间的压力差，使功率芯
片的表面受力均匀，避免了功率芯片在外部压力的作用下与第一电极层和第二电极层硬接触发生损坏。
20.3.进一步，即使功率芯片在工作过程中发热量很大使功率芯片体积发生热膨胀，弹性导电组件通过第三导电层与发射极电学连接，第三导电层的热膨胀系数大于功率芯片的热膨胀系数且小于弹性导电组件的热膨胀系数，第三导电层的热膨胀系数与功率芯片的热膨胀系数相近，避免了功率芯片与弹性导电组件的热膨胀系数不匹配产生较大的剪切力对功率芯片造成磨损，避免了功率芯片多次热膨胀和收缩后失效。
21.4.进一步，第二绝缘板位于第一导电层和第一电极层之间，起到支撑第一导电层和第一电极层的作用，使第一导电层和第一电极层之间绝缘，第三绝缘板位于第二导电层和第二电极层之间，起到支撑第二导电层和第二电极层的作用，使第二导电层和第二电极层之间绝缘。
22.5.进一步，第一绝缘板包括陶瓷绝缘板，第一导电层包括铜导电层，第二导电层包括铜导电层，复合连接板选择使用覆铜陶瓷基板，即具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性又兼具铜的高导电性和优异焊接性能；第一电极层包括钼电极层，钼的热膨胀系数与功率芯片的热膨胀系数相近，避免了功率芯片与第一电极层的热膨胀系数不匹配产生较大的剪切力对功率芯片造成磨损，避免了功率芯片多次热膨胀和收缩后失效。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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。
24.图1为现有技术提供的压接型功率芯片封装结构的等效电路示意图；
25.图2为本实用新型提供的压接型功率芯片封装结构的等效电路示意图；
26.图3为本实用新型一实施例提供的压接型功率芯片封装结构的结构示意图。
具体实施方式
27.本技术实用新型人经过研究发现，igbt器件随着电流等级的增大，在开关瞬态过程中会产生较大的di/dt，传统封装形式中，发射极寄生电感同时包含在集射极功率回路和栅极驱动回路中，成为共射极杂散电感，如图1所示，图1中“e”代表igbt器件的发射极，“c”代表igbt器件的集电极，“g”代表igbt器件的栅极，“lg”代表驱动回路杂散电感，“le”代表共射极杂散电感，“lc”代表集电极电感，开关瞬态较大的di/dt在共射极杂散电感上会产生较大压降，对栅极驱动回路带来较大影响，不仅限制开关速度，而且导致更多的开关损耗。此外，功率回路中的振荡也会影响驱动回路，增加了栅极振荡发生几率。
28.为了避免常见的共射极杂散电感，通常在功率模块中使用辅助发射极连接，即开尔文连接，如图2所示，图2中“e”代表igbt器件的发射极，“c”代表igbt器件的集电极，“g”代表igbt器件的栅极，“lg”代表驱动回路杂散电感，“lc”代表集电极电感，开尔文连接使栅极驱动回路和集射极功率回路解耦，消除了单个芯片上常见的共射极杂散电感的影响，从而提高了开关速度，并降低了开关损耗，这些损耗的减少实质上改善了器件的热性能和系统
效率。此外，通过使用开尔文连接来提高开关速度优于降低栅极电阻，因为后者会增加栅极电流并导致额外的栅极振荡。
29.但目前可实现开尔文连接的封装形式仅用于焊接模块中，压接型igbt器件的栅极仍采用传统的共射极连接方式，因此，本实用新型提供了一种可实现开尔文连接的压接型功率芯片封装结构，使得所述压接型功率芯片封装结构的开关速度提高、开关损耗减小。
30.下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
31.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，也可以是电学连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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实用新型中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本实用新型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。
34.本实用新型一实施例提供一种压接型功率芯片封装结构，请参考图3，包括：
35.相对设置的第一电极层1和第二电极层2；
36.位于所述第一电极层1和所述第二电极层2之间的功率芯片3，所述功率芯片3朝向所述第一电极层1的一侧表面设置有集电极(图中未示出)，所述功率芯片3朝向所述第二电极层2的一侧表面设置有栅极3a和发射极3b，所述发射极3b与所述第二电极层2电学连接；
37.位于所述第一电极层1和所述第二电极层2之间且位于所述功率芯片3的侧部的复合连接板4，所述复合连接板4包括：第一绝缘板401、位于所述第一绝缘板401一侧的第一导电层402、位于所述第一绝缘板401背向所述第一导电层402一侧表面的第二导电层403，所述第一导电层402和第二导电层403均分别与所述第一电极层1和第二电极层2间隔；
38.所述栅极3a通过第一键合线5与所述第一导电层402电学连接；所述发射极3b通过第二键合线6与所述第二导电层403电学连接。
39.功率芯片3包括绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，具体地，在一个实施例中，功率芯片3为高压芯片，电压等级≥4500v。
40.请继续参考图3，压接型功率芯片封装结构还包括：栅极端子7，所述栅极端子7的一端与所述第一导电层402连接；辅助发射极端子8，所述辅助发射极端子8的一端与所述第二导电层403连接。
41.请继续参考图3，压接型功率芯片封装结构还包括：位于所述功率芯片3和所述第二电极层2之间的弹性导电组件9，所述弹性导电组件9电学连接所述发射极3b和所述第二
电极层2，且所述弹性导电组件9与所述栅极3a分立。弹性导电组件9提供给功率芯片3的弹性压力小于功率芯片3的承受压力。
42.弹性导电组件9位于功率芯片3和第二电极层2之间，功率芯片3与第二电极层2之间为弹性接触，弹性导电组件9调节了功率芯片3和复合连接板4之间的压力差，使功率芯片3的表面受力均匀，避免了功率芯片3在外部压力的作用下与第一电极层1和第二电极层2硬接触发生损坏。
43.请继续参考图3，所述弹性导电组件9包括：导电插针901，所述导电插针901包括插针基座901a和凸出于所述插针基座901a表面的凸起部901b，所述插针基座901a位于所述凸起部901b和所述发射极3b之间与所述发射极3b电学连接。
44.请继续参考图3，所述弹性导电组件9还包括：导电导向件902，所述导电导向件902包括第一导向件902a和与所述第一导向件902a连接的第二导向件902b，所述第二导向件902b与所述第二电极层2连接，第一导向件902a的部分侧壁与所述凸起部901b的侧壁可滑动连接。在本实施例中，导电导向件902的材料为铍青铜。
45.请继续参考图3，所述弹性导电组件9还包括：弹性件903，所述弹性件903套设在所述第一导向件902a的外壁，所述弹性件903的一端与所述第二导向件902b相抵，所述弹性件903的另一端与所述插针基座901a相抵。
46.在本实施例中，弹性件903为蝶形弹簧，在其他实施例中，弹性件903还可以是其他弹性结构。
47.为了兼顾弹性导电组件9良好的导电性和较低的成本，通常插针基座901a使用的材料为铜，为了实现良好的弹性压接效果，插针基座901a的面积较大，为了避免插针基座901a导通栅极3a和发射极3b以及磨损功率芯片3，所述弹性导电组件9通过第三导电层11与所述发射极3b电学连接，具体地，第三导电层11朝向弹性导电组件9的一侧通过焊接或者烧结技术与插针基座901a粘接，第三导电层11朝向发射极3b的一侧通过焊接或者烧结技术与发射极3b粘接。所述第三导电层11的热膨胀系数大于功率芯片3的热膨胀系数且小于弹性导电组件9的热膨胀系数，所述第三导电层11的热膨胀系数为4.8
×
10^
‑6/℃～5.8
×
10^
‑6/℃，例如，4.8
×
10^
‑6/℃、5.0
×
10^
‑6/℃、5.2
×
10^
‑6/℃、5.4
×
10^
‑6/℃、5.6
×
10^
‑6/℃或者5.8
×
10^
‑6/℃，在本实施例中弹性导电组件9的材料为钼。
48.即使功率芯片3在工作过程中发热量很大使功率芯片3体积发生热膨胀，第三导电层11的热膨胀系数与功率芯片3的热膨胀系数相近，避免了功率芯片3与弹性导电组件9的热膨胀系数不匹配产生较大的剪切力对功率芯片3造成磨损，避免了功率芯片3多次热膨胀和收缩后失效。
49.请继续参考图3，所述第一导电层402位于所述第一绝缘板401和所述第一电极层1之间，所述第二导电层403位于所述第一绝缘板401和所述第二电极层2之间。
50.所述复合连接板4还包括第二绝缘板404和第三绝缘板405；所述第二绝缘板404位于所述第一导电层402和所述第一电极层1之间，起到支撑第一导电层402和第一电极层1的作用，使第一导电层402和第一电极层1之间绝缘，所述第一导电层402还与所述第二绝缘板404背向第一电极层1的一侧表面接触；所述第三绝缘板405位于所述第二导电层403和所述第二电极层2之间，起到支撑第二导电层403和第二电极层2的作用，使第二导电层403和第二电极层2之间绝缘。所述第二导电层403还与所述第三绝缘板405背向所述第二电极层2的
一侧表面接触。
51.所述第二绝缘板404背向所述第一电极层1的表面面积大于所述第一绝缘板401朝向所述第一电极层1的表面面积，与所述第二绝缘板404接触的部分所述第一导电层402位于所述第一绝缘板401之外，所述第一键合线5与位于所述第一绝缘板401之外且位于所述第二绝缘板404表面的所述第一导电层402接触。
52.所述第一绝缘板401朝向所述第二电极层2的表面面积大于所述第三绝缘板405背向所述第二导电层403的表面面积，与所述第一绝缘板401接触的部分所述第二导电层403位于所述第三绝缘板405之外，所述第二键合线6与位于所述第三绝缘板405之外且位于所述第一绝缘板401表面的所述第二导电层403接触。
53.请继续参考图3，压接型功率芯片封装结构还包括：管壳10，所述管壳10位于所述第一电极层1和所述第二电极层2之间，所述管壳10的一端与所述第一电极层1固定连接，所述管壳10的另一端与所述第二电极层2可分离设置。在本实施例中，管壳10为smc复合材料(sheet molding compound，片状模塑料)，在其他实施例中，管壳10为陶瓷管壳。
54.所述栅极端子7远离所述第一导电层402的一端从所述管壳10引出。
55.所述辅助发射极端子8远离所述第二导电层403的一端从所述管壳10引出。
56.请继续参考图3，压接型功率芯片封装结构还包括：绝缘硅凝胶12，绝缘硅凝胶12包覆所述功率芯片3、第一键合线5、第二键合线6、部分栅极端子7和部分辅助发射极端子8。
57.绝缘硅凝胶12对功率芯片3进行绝缘保护，并且使第一键合线5、第二键合线6、栅极端子7和辅助发射极端子8之间相互间隔，避免相互接触造成短路异常。
58.请继续参考图3，所述第二绝缘板404通过第一焊接层406与所述第一电极层1固定连接；所述第三绝缘板405通过第二焊接层407与所述第二电极层2固定连接。
59.第一焊接层406包括铜焊接层，第二焊接层407包括铜焊接层。
60.所述第一绝缘板401包括陶瓷绝缘板，第二绝缘板404包括陶瓷绝缘板，第三绝缘板405包括陶瓷绝缘板，所述第一导电层402包括铜导电层，所述第二导电层403包括铜导电层，复合连接板4选择使用覆铜陶瓷基板，即具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性又兼具铜的高导电性和优异焊接性能。
61.所述第一电极层1包括钼电极层，钼的热膨胀系数与功率芯片3的热膨胀系数相近，避免了功率芯片3与第一电极层1的热膨胀系数不匹配产生较大的剪切力对功率芯片3造成磨损，避免了功率芯片3多次热膨胀和收缩后失效。
62.本实施例提供的压接型功率芯片封装结构，栅极3a通过第一键合线5与第一导电层402电学连接，发射极3b通过第二键合线6与第二导电层403电学连接，第一导电层402与第一电极层1和第二电极层2间隔，第二导电层403与第一电极层1和第二电极层2间隔，由第一导电层402、第一键合线5、栅极3a、发射极3b、第二键合线6和第二导电层403形成的栅极驱动回路和由第一电极层1、集电极、发射极3b和第二电极层403形成的集射极功率回路形成并联结构，栅极驱动回路作为连接发射极3b和栅极3a的辅助回路实现了开尔文连接，使栅极驱动回路和集射极功率回路解耦，消除了功率芯片上的共射极杂散电感的影响，从而提高了功率芯片的开关速度、降低了功率芯片的开关损耗，进一步改善了压接型功率芯片封装结构的热性能和系统效率。
63.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实用新型创造的保护范围之中。