双芯GCT压接式封装结构设计与优化

发布时间：2020-06-03 05:24

【摘要】：为了更好的适应电力电子的应用需求,电力半导体器件逐渐向高电压、大电流、高频、快速以及小型化方向发展,因此必须承受更高的功率密度与更高的结温,这就致使器件温度上升,从而影响器件性能与可靠性。随着工作频率不断提高和体积缩小,器件的开关损耗与电磁干扰等问题也越来越严重。器件封装结构的设计除了考虑散热特性外,寄生电感也成为当前研究的一个重点。本文根据双芯GCT(Dual-GCT)的结构特点,设计了一种压接式Dual-GCT的封装结构,并分析了该封装结构的热学特性,提取了该结构的寄生电感。主要研究内容如下:1.分析了压接式GCT的封装结构,根据Dual-GCT的结构特点及其与驱动电路板的安装要求,设计了与Dual-GCT芯片匹配的压接式封装结构,其中包括双门极组件、管座等配件。2.对所设计的Dual-GCT封装结构进行热学特性分析。利用ANSYS仿真软件,分析了该封装结构在给定功耗下的温度分布及热应力分布,结果表明该封装结构的温度分布与热应力分布接近对称,最高温度为102.2℃并位于芯片处;在热冲击与高低温循环条件下,对该封装结构进行热应力分布仿真,结果表明,封装结构的最大热应力位于封装体最外围,对其热可靠性无影响。3.为了提取双芯GCT封装结构内部门-阴极的寄生电感,在Maxwell软件中建立了封装结构的模型,对其电磁特性进行了仿真。结果表明,双芯GCT封装结构中门-阴极的寄生电感为4.36nH,该结果为双芯GCT的门极驱动电路设计提供了依据。
【图文】：

1.2.1 压接式封装结构的发展压接式封装结构作为大功率器件最为常见的封装形式，，广泛应用于功率二极管，晶闸管和 IGBT 等功率器件。通常压接式封装结构如图所示，依次包括管盖、阳极钼片、芯片、阴极钼片、门极组件、管座，通过在管盖与管座间施加一定压力形成完整的封装结构。该结构可靠性高，其优势明显：（1）封装表面区与芯片表面区之间连接紧凑；（2）对称的结构分布，拥有良好的双面冷却能力；（3）无需键合引线，避免了由于焊料老化引起的失效；（4）封装结构所用到的不同热膨胀系数的材料之间，没有或者几乎没有刚性连接。相应的，压接式结构也存在一定缺点：封装内部无介电隔离，结构设计需要注意提供绝缘；同时在压接时还需要准确控制压力，这样的情况下就存在较高的成本。对于整晶圆封装的芯片，如 GTO、GCT，通常采用的结构如 1-1 图所示。芯片整体处于封装内部中央位置，在芯片的两侧分别压接有钼片；其中芯片阴极侧包含环形阴极区与中心门极结构，封装时需要在在芯片的阴极区压接一块圆环形的钼片，而在芯片的中心门极添加相应的门极电极引出至管壳外围。钼片的一侧与芯片接触，另一侧则与铜制管壳相连接，在结构外围添加陶瓷壳体使其形成密封结构以保证器件不受外界环境侵蚀。

（a）实物图 （b）内部结构图图 1-2 Stakpak 封装形式 IGBT 示意图Fig.1-2 Stakpak package structure of IGBT对于 IGBT 的压接式封装结构也有采用圆形压接式封装外壳的，如图 1-3 所示，封装内部呈格状分布，IGBT 芯片与二极管芯片分别具有各独立的封装子模块，其子模块结构为方形盒子状，与常规压接式封装结构类似，芯片的集电极与发射极通过钼片与其各自电极铜块形成良好的电气连接与散热路径；门极结构通过弹性顶针与门极导线连接将门极信号引出。在上下两个电极金属块上施加一定预紧力形成完整的子模块结构，将子模块结构按照既定的排列顺序放入圆形管壳内部，多个子模块并联形成完整封装。多个芯片的并联有效提高了器件整体的电流容量[6]。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405

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本文编号：2694364