【摘要】：為了更好的適應(yīng)電力電子的應(yīng)用需求,電力半導(dǎo)體器件逐漸向高電壓、大電流、高頻、快速以及小型化方向發(fā)展,因此必須承受更高的功率密度與更高的結(jié)溫,這就致使器件溫度上升,從而影響器件性能與可靠性。隨著工作頻率不斷提高和體積縮小,器件的開關(guān)損耗與電磁干擾等問題也越來(lái)越嚴(yán)重。器件封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)除了考慮散熱特性外,寄生電感也成為當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)。本文根據(jù)雙芯GCT(Dual-GCT)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種壓接式Dual-GCT的封裝結(jié)構(gòu),并分析了該封裝結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性,提取了該結(jié)構(gòu)的寄生電感。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.分析了壓接式GCT的封裝結(jié)構(gòu),根據(jù)Dual-GCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與驅(qū)動(dòng)電路板的安裝要求,設(shè)計(jì)了與Dual-GCT芯片匹配的壓接式封裝結(jié)構(gòu),其中包括雙門極組件、管座等配件。2.對(duì)所設(shè)計(jì)的Dual-GCT封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱學(xué)特性分析。利用ANSYS仿真軟件,分析了該封裝結(jié)構(gòu)在給定功耗下的溫度分布及熱應(yīng)力分布,結(jié)果表明該封裝結(jié)構(gòu)的溫度分布與熱應(yīng)力分布接近對(duì)稱,最高溫度為102.2℃并位于芯片處;在熱沖擊與高低溫循環(huán)條件下,對(duì)該封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分布仿真,結(jié)果表明,封裝結(jié)構(gòu)的最大熱應(yīng)力位于封裝體最外圍,對(duì)其熱可靠性無(wú)影響。3.為了提取雙芯GCT封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部門-陰極的寄生電感,在Maxwell軟件中建立了封裝結(jié)構(gòu)的模型,對(duì)其電磁特性進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,雙芯GCT封裝結(jié)構(gòu)中門-陰極的寄生電感為4.36nH,該結(jié)果為雙芯GCT的門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
【圖文】：

1.2.1 壓接式封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展壓接式封裝結(jié)構(gòu)作為大功率器件最為常見的封裝形式，，廣泛應(yīng)用于功率二極管，晶閘管和 IGBT 等功率器件。通常壓接式封裝結(jié)構(gòu)如圖所示，依次包括管蓋、陽(yáng)極鉬片、芯片、陰極鉬片、門極組件、管座，通過(guò)在管蓋與管座間施加一定壓力形成完整的封裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可靠性高，其優(yōu)勢(shì)明顯：（1）封裝表面區(qū)與芯片表面區(qū)之間連接緊湊；（2）對(duì)稱的結(jié)構(gòu)分布，擁有良好的雙面冷卻能力；（3）無(wú)需鍵合引線，避免了由于焊料老化引起的失效；（4）封裝結(jié)構(gòu)所用到的不同熱膨脹系數(shù)的材料之間，沒有或者幾乎沒有剛性連接。相應(yīng)的，壓接式結(jié)構(gòu)也存在一定缺點(diǎn)：封裝內(nèi)部無(wú)介電隔離，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意提供絕緣；同時(shí)在壓接時(shí)還需要準(zhǔn)確控制壓力，這樣的情況下就存在較高的成本。對(duì)于整晶圓封裝的芯片，如 GTO、GCT，通常采用的結(jié)構(gòu)如 1-1 圖所示。芯片整體處于封裝內(nèi)部中央位置，在芯片的兩側(cè)分別壓接有鉬片；其中芯片陰極側(cè)包含環(huán)形陰極區(qū)與中心門極結(jié)構(gòu)，封裝時(shí)需要在在芯片的陰極區(qū)壓接一塊圓環(huán)形的鉬片，而在芯片的中心門極添加相應(yīng)的門極電極引出至管殼外圍。鉬片的一側(cè)與芯片接觸，另一側(cè)則與銅制管殼相連接，在結(jié)構(gòu)外圍添加陶瓷殼體使其形成密封結(jié)構(gòu)以保證器件不受外界環(huán)境侵蝕。

（a）實(shí)物圖 （b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖 1-2 Stakpak 封裝形式 IGBT 示意圖Fig.1-2 Stakpak package structure of IGBT對(duì)于 IGBT 的壓接式封裝結(jié)構(gòu)也有采用圓形壓接式封裝外殼的，如圖 1-3 所示，封裝內(nèi)部呈格狀分布，IGBT 芯片與二極管芯片分別具有各獨(dú)立的封裝子模塊，其子模塊結(jié)構(gòu)為方形盒子狀，與常規(guī)壓接式封裝結(jié)構(gòu)類似，芯片的集電極與發(fā)射極通過(guò)鉬片與其各自電極銅塊形成良好的電氣連接與散熱路徑；門極結(jié)構(gòu)通過(guò)彈性頂針與門極導(dǎo)線連接將門極信號(hào)引出。在上下兩個(gè)電極金屬塊上施加一定預(yù)緊力形成完整的子模塊結(jié)構(gòu)，將子模塊結(jié)構(gòu)按照既定的排列順序放入圓形管殼內(nèi)部，多個(gè)子模塊并聯(lián)形成完整封裝。多個(gè)芯片的并聯(lián)有效提高了器件整體的電流容量[6]。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN405

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