本发明专利技术提供一种弹性压接封装结构，包括子单元(1)、外壳(2)、栅极电路板(3)和发射极铜板(4)；子单元(1)位于外壳(2)的内部，所述栅极电路板(3)位于子单元(1)底部，外壳(2)和栅极电路板(3)均固定在发射极铜板(4)上；子单元(1)包括半导体功率器件(6)和定位框架(12)，所述定位框架(12)位于半导体功率器件(6)外侧，不仅可靠性高，且能够满足高电压等级封装需求。本发明专利技术利用对半导体功率器件的双面焊接或烧结技术配合绝缘介质完成对半导体功率器件的灌封保护，通过爬电距离和电气间隙的设计满足弹性压接封装结构20kV绝缘配合，能够根据电流等级选择子单元个数，设计灵活性高，通用性好且易于加工。
An elastic crimping packaging structure
【技术实现步骤摘要】
一种弹性压接封装结构
本专利技术涉及微电子封装
，具体涉及一种弹性压接封装结构。
技术介绍
目前，半导体功率器件向更高压、更大容量、更高效率以及更高结温的新型电力电子器件发展，半导体功率器件由于其优越的物理化学性质备受关注。首先，半导体功率器件的单个器件耐压高(目前已经实现单个器件超过27kV的耐压能力)、损耗低(约为同等级硅器件的十分之一)，实现高压电力电子装置所需的串并联器件总数可大大减少，因此可以简化装置的设计，提高系统的可靠性。其次，由于半导体功率器件的高载流子迁移率和饱和漂移速度，其工作频率可达硅电力电子器件的10倍以上，高频工作使得器件本身的能量转换损耗大幅度降低，并且可实现传统硅电力电子器件无法实现的新型拓扑结构。此外，SiC电力电子器件还可以在高温环境(＞150℃)下正常工作，热导率高达4.9W/(cm·K)，这将使得系统的散热设计可以大大简化，整个系统将变得更加紧凑。半导体功率器件按照封装方式可以分为焊接封装和压接封装，其中，压接封装利用压力实现热力学和电气的连接，相比于焊接封装，压接封装具备以下特点：双面散热，具备更好的散热通道和更强的散热能力；失效模式为短路失效，易于模块的串联应用；无互连线，功率循环能力大大增强，寄生参数小。上述的压接封装又分为弹性压接封装和刚性压接封装，相比于刚性压接封装，弹性压接封装采用分组封装，便于实现，同时弹性压接封装中的碟簧对封装结构零部件的公差容忍度较高，更容易实现半导体功率器件承受压力均衡，尤其适用于功率密度高、芯片面积较小的半导体功率器件。高电压等级的半导体功率器件给封装结构设计和实现带来了更大的挑战，封装时绝缘配合问题尤为突出，封装的外部绝缘需要高相对漏电指数的陶瓷或者树脂复合材料以及更复杂的伞群结构，以满足高压应用对电气间隙和爬电距离的要求，同时在封装结构内部，芯片的绝缘灌封保护一方面需要更高电场耐受能力的灌封材料，另一方面需要进行高可靠性的灌封工艺开发。现有技术中针对半导体功率器件的封装结构存在的不足之处主要有：1、焊接封装结构失效模式为断路，不适合规模串联应用；利用键合铝线进行芯片之间的互连，键合线在器件周期开关的过程中承受横向作用力，从而引起键合点疲劳，出现键合线脱落、断裂现象，导致封装结构可靠性低。2、针对压接封装结构，目前硅IGBT电压等级最高为6.5kV，晶闸管最高为8.5kV，其结构设计、绝缘配合以及绝缘灌封工艺等无法满足更高电压等级的封装要求。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中可靠性低且无法满足高电压等级封装需求的不足，本专利技术提供一种弹性压接封装结构，包括子单元(1)、外壳(2)、栅极电路板(3)和发射极铜板(4)；子单元(1)位于外壳(2)的内部，所述栅极电路板(3)位于子单元(1)底部，外壳(2)和栅极电路板(3)均固定在发射极铜板(4)上；子单元(1)包括半导体功率器件(6)和定位框架(12)，定位框架(12)位于半导体功率器件(6)外侧，不仅可靠性高，且能够满足高电压等级封装需求。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术提供一种弹性压接封装结构，包括子单元(1)、外壳(2)、栅极电路板(3)和发射极铜板(4)；所述子单元(1)位于外壳(2)的内部，所述栅极电路板(3)位于子单元(1)底部，所述外壳(2)和栅极电路板(3)均固定在发射极铜板(4)上；所述子单元(1)包括半导体功率器件(6)和定位框架(12)，所述定位框架(12)位于半导体功率器件(6)外侧。所述定位框架(12)包括内凹槽、E极立柱、G极立柱、导向隔板和伞裙；所述导向隔板和伞裙分别位于内凹槽的下侧和外侧，所述E极立柱和G极立柱均竖直设置在内凹槽内部；所述伞裙包括至少两层依次排列的L型伞裙片。所述定位框架(12)采用尼龙为基材，添加阻燃剂和稳定剂，通过开模注塑成型。所述子单元(1)还包括集电极钼板(5)、键合线(7)、发射极金属柱(8)、基板(9)、栅极金属柱(10)和弹簧组件(11)；所述定位框架(12)上边缘和与集电极钼板(5)下边缘固定，所述半导体功率器件(6)的集电极与集电极钼板(5)下表面固定，其发射极与发射极金属柱(8)的上端固定，其栅极通过键合线(7)与基板(9)固定；所述基板(9)的上表面与集电极钼板(5)下表面固定，其下表面与栅极金属柱(10)的上端固定；所述弹簧组件(11)位于发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)的下部，且位于定位框架(12)内部，其通过所述定位框架(12)进行横向固定。所述弹簧组件(11)包括定向插杆(14)、通流铜排(15)、弹簧组(16)、导向套筒(17)和汇流铜板(18)；所述弹簧组件(11)通过所述定位框架(12)进行横向固定；所述定向插杆(14)上端与所述发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)各自的下端对准接触，所述导向套筒(17)为空心结构，所述定向插杆(14)下端依次穿过通流铜排(15)的上端、弹簧组(16)、通流铜排(15)的下端和导向套筒(17)，并插入汇流铜板(18)，所述定向插杆(14)下端与汇流铜板(18)固定。所述弹簧组(16)包括多个碟形弹簧，多个碟形弹簧采用对合方式组合；所述碟形弹簧的个数为偶数个，且不少于六个。所述发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)的侧面均设有沟槽。所述子单元(1)填充绝缘介质(13)，所述绝缘介质(13)的高度低于发射极金属柱(8)和半导体功率器件(6)的高度之和；所述发射极金属柱(8)和半导体功率器件(6)的高度之和与所述栅极金属柱(10)和基板的高度之和相等。所述绝缘介质(13)采用硅凝胶或环氧树脂。所述定向插杆(14)与汇流铜板(18)之间以铆接形式连接。所述半导体功率器件(6)的集电极与集电极钼板(5)之间、半导体功率器件(6)的发射极与发射极金属柱(8)之间、基板(9)与集电极钼板(5)之间，基板(9)与栅极金属柱(10)之间均以焊接形式或烧结形式固定；所述定位框架(12)与集电极钼板(5)之间通过密封胶固定。所述基板(9)采用陶瓷，所述陶瓷采用氮化铝陶瓷；所述发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)均采用钼或铜，所述发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)各自表面、半导体功率器件(6)表面以及集电极钼板(5)的下表面均镀银，所述基板(9)双面覆有铜层，所述定向插杆(14)、导向套筒(17)和汇流铜板(18)均采用铜，所述铜层以及定向插杆(14)、导向套筒(17)和汇流铜板(18)各自的表面依次镀有镍和银。所述外壳(2)采用片状模压塑料，所述片状模压塑料采用不饱和聚酯玻璃纤维；所述外壳(2)和定位框架(12)的相对漏电指数均大于600，两者的电气间隙均大于34mm，两者的爬电距离均大于100mm；所述定位框架(12)的热变形温度高于200℃。所述外壳(2)与发射极铜板(4)之间通过密封胶固定，所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种弹性压接封装结构，其特征在于，包括子单元(1)、外壳(2)、栅极电路板(3)和发射极铜板(4)；/n所述子单元(1)位于外壳(2)的内部，所述栅极电路板(3)位于子单元(1)底部，所述外壳(2)和栅极电路板(3)均固定在发射极铜板(4)上；/n所述子单元(1)包括半导体功率器件(6)和定位框架(12)，所述定位框架(12)位于半导体功率器件(6)外侧。/n
【技术特征摘要】
1.一种弹性压接封装结构，其特征在于，包括子单元(1)、外壳(2)、栅极电路板(3)和发射极铜板(4)；
所述子单元(1)位于外壳(2)的内部，所述栅极电路板(3)位于子单元(1)底部，所述外壳(2)和栅极电路板(3)均固定在发射极铜板(4)上；
所述子单元(1)包括半导体功率器件(6)和定位框架(12)，所述定位框架(12)位于半导体功率器件(6)外侧。
2.根据权利要求1所述的弹性压接封装结构，其特征在于，所述定位框架(12)包括内凹槽、E极立柱、G极立柱、导向隔板和伞裙；
所述导向隔板和伞裙分别位于内凹槽的下侧和外侧，所述E极立柱和G极立柱均竖直设置在内凹槽内部；
所述伞裙包括至少两层依次排列的L型伞裙片。
3.根据权利要求1所述的弹性压接封装结构，其特征在于，所述定位框架(12)采用尼龙为基材，添加阻燃剂和稳定剂，通过开模注塑成型。
4.根据权利要求1所述的弹性压接封装结构，其特征在于，所述子单元(1)还包括集电极钼板(5)、键合线(7)、发射极金属柱(8)、基板(9)、栅极金属柱(10)和弹簧组件(11)；
所述定位框架(12)上边缘和与集电极钼板(5)下边缘固定，所述半导体功率器件(6)的集电极与集电极钼板(5)下表面固定，其发射极与发射极金属柱(8)的上端固定，其栅极通过键合线(7)与基板(9)固定；
所述基板(9)的上表面与集电极钼板(5)下表面固定，其下表面与栅极金属柱(10)的上端固定；
所述弹簧组件(11)位于发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)的下部，且位于定位框架(12)内部，其通过所述定位框架(12)进行横向固定。
5.根据权利要求3所述的弹性压接封装结构，其特征在于，所述弹簧组件(11)包括定向插杆(14)、通流铜排(15)、弹簧组(16)、导向套筒(17)和汇流铜板(18)；
所述弹簧组件(11)通过所述定位框架(12)进行横向固定；
所述定向插杆(14)上端与所述发射极金属柱(8)和栅极金属柱(10)各自的下端对准接触，所述导向套筒(17)为空心结构，所述定向插杆(14)下端依次穿过通流铜排(15)的上端、弹簧组(16)、通流铜排(15)的下端和导向套筒(17)，并插入汇流铜板(18)，所述定向插杆(14)下端与汇流铜板(18)固定。
6.根据权利要求4所述的弹性压接封装结构，其特征在于，所述弹簧组(16)包括多个碟形弹簧，多个碟形弹簧采用对合方式组合；
所述碟形弹簧的个数为偶数个，且不少于六个。
【专利技术属性】
技术研发人员：杜玉杰，李金元，张雷，任慧鹏，陈中圆，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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