【摘要】：為了更好的適應電力電子的應用需求,電力半導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,器件的開關損耗與電磁干擾等問題也越來越嚴重。器件封裝結構的設計除了考慮散熱特性外,寄生電感也成為當前研究的一個重點。本文根據(jù)雙芯GCT(Dual-GCT)的結構特點,設計了一種壓接式Dual-GCT的封裝結構,并分析了該封裝結構的熱學特性,提取了該結構的寄生電感。主要研究內(nèi)容如下:1.分析了壓接式GCT的封裝結構,根據(jù)Dual-GCT的結構特點及其與驅(qū)動電路板的安裝要求,設計了與Dual-GCT芯片匹配的壓接式封裝結構,其中包括雙門極組件、管座等配件。2.對所設計的Dual-GCT封裝結構進行熱學特性分析。利用ANSYS仿真軟件,分析了該封裝結構在給定功耗下的溫度分布及熱應力分布,結果表明該封裝結構的溫度分布與熱應力分布接近對稱,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,對該封裝結構進行熱應力分布仿真,結果表明,封裝結構的最大熱應力位于封裝體最外圍,對其熱可靠性無影響。3.為了提取雙芯GCT封裝結構內(nèi)部門-陰極的寄生電感,在Maxwell軟件中建立了封裝結構的模型,對其電磁特性進行了仿真。結果表明,雙芯GCT封裝結構中門-陰極的寄生電感為4.36nH,該結果為雙芯GCT的門極驅(qū)動電路設計提供了依據(jù)。
【圖文】：

1.2.1 壓接式封裝結構的發(fā)展壓接式封裝結構作為大功率器件最為常見的封裝形式，，廣泛應用于功率二極管，晶閘管和 IGBT 等功率器件。通常壓接式封裝結構如圖所示，依次包括管蓋、陽極鉬片、芯片、陰極鉬片、門極組件、管座，通過在管蓋與管座間施加一定壓力形成完整的封裝結構。該結構可靠性高，其優(yōu)勢明顯：（1）封裝表面區(qū)與芯片表面區(qū)之間連接緊湊；（2）對稱的結構分布，擁有良好的雙面冷卻能力；（3）無需鍵合引線，避免了由于焊料老化引起的失效；（4）封裝結構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。相應的，壓接式結構也存在一定缺點：封裝內(nèi)部無介電隔離，結構設計需要注意提供絕緣；同時在壓接時還需要準確控制壓力，這樣的情況下就存在較高的成本。對于整晶圓封裝的芯片，如 GTO、GCT，通常采用的結構如 1-1 圖所示。芯片整體處于封裝內(nèi)部中央位置，在芯片的兩側分別壓接有鉬片；其中芯片陰極側包含環(huán)形陰極區(qū)與中心門極結構，封裝時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的門極電極引出至管殼外圍。鉬片的一側與芯片接觸，另一側則與銅制管殼相連接，在結構外圍添加陶瓷殼體使其形成密封結構以保證器件不受外界環(huán)境侵蝕。

（a）實物圖 （b）內(nèi)部結構圖圖 1-2 Stakpak 封裝形式 IGBT 示意圖Fig.1-2 Stakpak package structure of IGBT對于 IGBT 的壓接式封裝結構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立的封裝子模塊，其子模塊結構為方形盒子狀，與常規(guī)壓接式封裝結構類似，芯片的集電極與發(fā)射極通過鉬片與其各自電極銅塊形成良好的電氣連接與散熱路徑；門極結構通過彈性頂針與門極導線連接將門極信號引出。在上下兩個電極金屬塊上施加一定預緊力形成完整的子模塊結構，將子模塊結構按照既定的排列順序放入圓形管殼內(nèi)部，多個子模塊并聯(lián)形成完整封裝。多個芯片的并聯(lián)有效提高了器件整體的電流容量[6]。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN405

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本文編號：2694364