一種新型壓接式igbt模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種壓接式IGBT模塊，具體涉及一種可降低IGBT在開關(guān)瞬態(tài)電流過沖的壓接式IGBT模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]1993年，F(xiàn)uji公司首次提出μ-stack的概念，結(jié)合了GTO和IGBT共同的優(yōu)點(diǎn)看，在20世紀(jì)90年代后期得到了廣泛的研究，并在2005年前后進(jìn)行了壓接式IGBT的商業(yè)化量產(chǎn)。目前市場(chǎng)上的兩個(gè)主流產(chǎn)品分別為ABB公司的StakPak和Westcode公司的Press Pack IGBT，此外，與此類似的還有Toshiba的IEGT器件。壓接式IGBT具有開關(guān)頻率高、失效短路、雙面散熱以及更加易于串聯(lián)的優(yōu)勢(shì)，非常適合于電力機(jī)車以及VSC-HVDC等的應(yīng)用。壓接式IGBT模塊與傳統(tǒng)的焊接式IGBT模塊相比，芯片回路的雜散電感小。
[0003]ABB公司的StakPak通過在集電極使用碟簧的方式將芯片壓在底板上，雖然會(huì)增加集電極側(cè)的電感值，但是卻降低了發(fā)射極側(cè)的雜散電感，從而降低了驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感，使得芯片具有更好的開通一致性。Westcode公司現(xiàn)有的壓接式IGBT器件，通過將芯片壓接在凸臺(tái)上，并使用頂針的方式進(jìn)行柵極觸發(fā)。Westcode的Press Pack IGBT的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)以及工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。
[0004]針對(duì)Westcode器件結(jié)構(gòu)，已有的研究結(jié)果表明，隨著凸臺(tái)數(shù)量的增加，由于這種雜散電感的不一致問題，凸臺(tái)之間的電流在開通和關(guān)斷過程中存在不均流的問題，且部分芯片在開通過程中存在很大的電流過沖，從而降低了器件整體的安全工作區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問題，本發(fā)明提供一種新型結(jié)構(gòu)的壓接式IGBT豐旲塊。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種新型壓接式IGBT模塊，包括管殼和同軸設(shè)于所述管殼上、下兩端的板狀金屬電極，下端金屬電極的內(nèi)側(cè)面上固定有凸臺(tái)，所述凸臺(tái)與上端金屬電極之間壓接有功率子模塊;其改進(jìn)之處在于:所述凸臺(tái)以所述下端金屬電極的中心為圓心，由內(nèi)層到外層依次圓周等分布在所述下端金屬電極的內(nèi)側(cè)面上。
[0007]優(yōu)選的，所述功率子模塊包括設(shè)于不同凸臺(tái)上的IGBT功率子模塊和D1de功率子模塊，所述IGBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)分布在以所述下端金屬電極的中心為圓心的外層圓周上;所述D1de功率子模塊所在的凸臺(tái)分布在所述外層圓周和所述中心之間的以所述中心為圓心的內(nèi)層圓周上;所述中心位置布置有安裝所述IGBT功率子模塊的凸臺(tái)或安裝所述D1de功率子模塊的凸臺(tái)。
[0008]優(yōu)選的，所述下端金屬電極的內(nèi)側(cè)面上分布有凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)固定有一個(gè)凸臺(tái)。
[0009]進(jìn)一步，所述凸臺(tái)的兩側(cè)設(shè)有平行于所述管殼軸線方向上的柱子，所述凹槽的兩側(cè)設(shè)有與所述柱子相適應(yīng)的溝槽;所述柱子容納于所述溝槽內(nèi)，以將所述凸臺(tái)限制在所述凹槽內(nèi)。
[0010]進(jìn)一步，所述凸臺(tái)與所述凹槽底部相接觸的面為向上凹陷的凹面;所述凹面為曲面或斜面。
[0011]進(jìn)一步，所述凹槽為矩形，所述凹槽的寬度等于凸臺(tái)的對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)，以將所述凸臺(tái)限制在所述凹槽內(nèi)；所述凹槽的長(zhǎng)度略大于凸臺(tái)的對(duì)應(yīng)底部長(zhǎng)度;所述凹面的橫截面為拱形；所述凹面的橫截面對(duì)稱線垂直于所述凹槽的長(zhǎng)度。
[0012]進(jìn)一步，所述功率子模塊包括由下至上依次壓接的導(dǎo)電銀片、底部鉬片、半導(dǎo)體芯片和頂部鉬片;所述導(dǎo)電銀片的下表面與所述凸臺(tái)的上表面壓接，所述頂部鉬片的上表面與所述上端金屬電極的內(nèi)側(cè)面壓接；
[0013]所述IGBT功率子模塊的半導(dǎo)體芯片為絕緣柵雙極型晶體管IGBT芯片；所述D1de功率子模塊的半導(dǎo)體芯片為二極管D1de芯片。
[0014]進(jìn)一步，所述導(dǎo)電銀片、底部鉬片、半導(dǎo)體芯片和頂部鉬片設(shè)于矩形結(jié)構(gòu)的絕緣框架內(nèi)。
[0015]進(jìn)一步，IGBT功率子模塊通過設(shè)于凸臺(tái)之間的PCB板電氣相連;所述PCB板的上、下表面分別涂覆有金屬層，金屬層之間通過絕緣材料電氣隔離;上、下表面的金屬層寬度小于對(duì)應(yīng)的PCB板寬度，以使凸臺(tái)之間電氣隔離;連接外部驅(qū)動(dòng)電路的接線端子分別經(jīng)所述上、下表面的金屬層引出。
[0016]進(jìn)一步，所述IGBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)側(cè)部留有位于其對(duì)角線上的開口朝外的缺口；所述IGBT功率子模塊的絕緣框架內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角位置設(shè)有與所述缺口相適應(yīng)的通孔;所述PCB板的下表面金屬層與所述缺口的底部相接觸，其上表面金屬層與所述通孔的底部相接觸;所述通孔的頂部與絕緣柵雙極型晶體管IGBT芯片的下表面相接觸;所述PCB板的上表面金屬層通過貫穿所述通孔的柵極頂針與所述IGBT功率子模塊的絕緣柵雙極型晶體管IGBT芯片的柵極電氣相連。
[0017]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著進(jìn)步:
[0018]I)本發(fā)明提供的壓接式IGBT模塊將同一種功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)分布在同一圓周上，可改善壓接式IGBT模塊的凸臺(tái)在IGBT開關(guān)瞬態(tài)過程中，電流過沖太大的問題，可提高器件的可靠性，增大安全工作區(qū)。
[0019]2)本發(fā)明提供的壓接式IGBT模塊將凸臺(tái)分布在以下端金屬電極中心為圓心的圓周上，降低了各個(gè)功率子模塊的幾何位置差別，有效提高了各個(gè)功率子模塊所在支路參數(shù)的一致性，具有更好的均流效果，降低了 IGBT功率子模塊在開通瞬態(tài)過程中電流過沖的問題。
[0020]3)本發(fā)明提供的壓接式IGBT模塊的凸臺(tái)底部設(shè)有向上凹陷的凹面，使得凸臺(tái)在壓力條件下，向下移動(dòng)的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂部鉬片、半導(dǎo)體芯片、底部鉬片以及導(dǎo)電銀片在壓力方向上所產(chǎn)生的形變之和，降低了壓接式IGBT模塊對(duì)鉬片、芯片、導(dǎo)電銀片厚度的一致性要求、對(duì)凸臺(tái)高度的一致性要求，在金屬片厚度以及凸臺(tái)高度存在容差的情況下，仍然可以保持各個(gè)芯片之間的壓力差異性小，壓力差異減小后將會(huì)降低各個(gè)芯片與散熱器之間的熱阻差異，從而改善了芯片散熱的一致性，提高了器件的使用性能。
[0021]4)本發(fā)明提供的壓接式IGBT模塊的導(dǎo)電銀片與凸臺(tái)壓接，PCB板的下表面金屬層與凸臺(tái)缺口底部相接觸，使得IGBT功率子模塊的絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極從凸臺(tái)引出，極大降低了柵極回路的面積，從而降低了雜散參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的影響，提高了器件的電氣性能。
[0022]5)本發(fā)明提供的壓接式IGBT模塊結(jié)構(gòu)靈活，凸臺(tái)通過兩側(cè)的條形柱子限位在凹槽內(nèi)，IGBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)和D1de功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)的數(shù)量以及位置可調(diào)，從而可以根據(jù)需求來設(shè)置IGBT和D1de芯片的比例以及相對(duì)位置。
【附圖說明】
[0023]圖1為IGBT功率子模塊數(shù)量較少時(shí)，凸臺(tái)在下端金屬電極內(nèi)側(cè)面上的分布示意圖；
[0024]圖2為IGBT功率子模塊數(shù)量較多時(shí)，凸臺(tái)在下端金屬電極內(nèi)側(cè)面上的分布示意圖；
[0025]圖3為IGBT功率子模塊、凸臺(tái)以及凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4是圖3中IGBT功率子模塊的絕緣框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027 ]圖5是D i ode功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖6是IGBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7是凸臺(tái)、凹槽、PCB板安裝在一起時(shí)的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]其中1-1GBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)；2-D1de功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)；3-下端金屬電極;4-頂部鉬片；5-半導(dǎo)體芯片;6-底部鉬片；7-導(dǎo)電銀片;8-絕緣框架;9-1GBT功率子模塊所在凸臺(tái)側(cè)面的條形柱子；10-通孔；Il-D1de功率子模塊所在凸臺(tái)側(cè)面的條形柱子;12-1GBT功率子模塊所在凸臺(tái)的缺口； 13-PCB板。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0032]為了徹底了解本發(fā)明實(shí)施例，將在下列的描述中提出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。顯然，本發(fā)明實(shí)施例的施行并不限定于本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。
[0033]本發(fā)明提供的大功率壓接式IGBT模塊的外部由管殼和設(shè)置在管殼上、下兩端的兩個(gè)金屬電極板組成，內(nèi)部為功率子模塊以及相應(yīng)的凸臺(tái)。
[0034]凸臺(tái)安裝在下端金屬電極3上，為了降低各個(gè)功率子模塊的幾何位置差別，提高各個(gè)功率子模塊所在支路參數(shù)的一致性，改善壓接式IGBT模塊的凸臺(tái)在IGBT開關(guān)瞬態(tài)過程中，電流過沖太大的問題，提高器件的可靠性，增大安全工作區(qū)，本發(fā)明提供的凸臺(tái)在下端金屬電極3的內(nèi)側(cè)面上采用圓周布局的方式。
[0035]功率子模塊包括設(shè)于不同凸臺(tái)上的IGBT功率子模塊和D1de功率子模塊，所述IGBT功率子模塊所對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)I分布在以所述下端金屬電極3的中心為圓心的外層圓周上；所述D1de功率子模塊所在的凸臺(tái)2分布在所述外層圓周和所述中心之間的以所述中心為圓心的內(nèi)層圓周上；所述中心位置布置有安裝所述IGBT功率子模塊的凸臺(tái)或安裝所述D1de功率子模塊的凸臺(tái)。
[0036]當(dāng)有少量IGBT功率子模塊時(shí)，凸臺(tái)布局方式如圖1所示，圖1中的凸臺(tái)省略了側(cè)部的條形柱子，最中心為一個(gè)IGBT功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)，隨后包圍的是D1de功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)，最外圍是其他IGBT功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)布局方式；
[0037]對(duì)于IGBT功率子模塊對(duì)應(yīng)凸臺(tái)數(shù)量較多的情形，采用圖2所示的布局方式，圖2中的凸臺(tái)省略了側(cè)部的條形柱子;所有的D1de功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)都在中間位置，IGBT功率子模塊對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)都在外圍呈現(xiàn)圓周分布。
[0038]如圖3所示，所述功率子模塊包括由下至上依次壓接的導(dǎo)電銀片7、底部鉬片6、半導(dǎo)體芯片5和頂部鉬片4;所述導(dǎo)電銀片7的下表面與所述凸