一种芯片封装结构

1.本实用新型属于电力半导体器件技术领域，特别涉及一种芯片封装结构。


背景技术：

2.集成门极换流晶闸管(igct)器件是在门极可关断晶闸管(gto)的基础上发展出的新一代流控型器件。从芯片层面来看，gct芯片采用了透明阳极技术与缓冲层设计，降低了器件的触发电流水平及导通压降。从门极驱动电路及开通关断机理来看，igct采用集成式驱动电路的方式，通过优化线路布局及管壳封装结构等方式，降低换流回路杂散参数到纳亨量级，使得器件关断过程中电流能在很短时间内由阴极全部转换至门极，而后使 pnp三极管自然关断。在低母线电压关断的情况下，降低换流回路杂散电感有利于提高由硬驱动条件所限制的极限关断电流能力。在高母线电压关断的情况下，降低换流回路杂散电感则有助于改善电流分配均匀性，进而提高关断电流能力。
3.图1所示为传统的igct器件封装结构简化后横截面结构示意图，图1中， a为阳极钼片，b为阳极铜块，c为阳极焊接环1，d为阳极焊接环2，e为陶瓷伞裙，f为门极连接环，g为陶瓷隔离环，h为阴极连接环，i为阴极焊接环， j为阴极外钼片，k为阴极块，l为阴极内钼片。在该结构中芯片靠近中心与靠近外侧的换流路径分别如图2、图3中箭头路径所示。igct器件封装结构换流回路的电感主要由换流路径所包含的面积决定，该面积越大，则回路的杂散电感越大。通过比较图2和图3可知，图2中换流路径包含的面积大于图3中换流路径包含的面积，因而图2中芯片靠近中心处具有较大的换流回路杂散电感，而这主要是由传统igct封装结构中阴极块的槽结构以及门极连接环与阴极连接环之间的陶瓷隔离环所引起的。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型提供一种芯片封装结构。
5.本实用新型的芯片封装结构，包括：芯片，
6.所述芯片第一表面的边缘设有第一电极；
7.所述第一电极上设有第一电极金属环；
8.所述第一电极金属环上设有第一电极连接环；
9.所述第一电极与所述第一电极金属环通过压力接触；
10.所述第一电极金属环与所述第一电极连接环通过压力接触。
11.进一步，
12.所述芯片封装结构还包括第二电极金属片和第二电极金属块，
13.所述第二电极金属片的两个表面平整，所述第二电极金属片的一个表面与所述芯片第一表面上的第二电极贴合，所述第二电极金属片的另一个表面与所述第二电极金属块的一个端面贴合。
14.进一步，
15.所述第二电极金属片及所述第二电极金属块与所述第二电极金属片贴合的一端的周边外沿通过隔离环与所述第一电极金属环隔离开。
16.进一步，
17.所述第一电极金属环周边外沿设有芯片固定环，所述芯片固定环的内沿接触固定所述芯片，所述芯片固定环的高度不小于所述第一电极金属环的高度与所述芯片厚度之和。
18.进一步，
19.所述芯片封装结构包括封装伞裙，所述芯片固定环设于所述封装伞裙的腔内；
20.所述第一电极连接环由所述隔离环的周边向外延伸，经过所述芯片固定环的边沿从所述封装伞裙一端的边沿向外延伸。
21.进一步，
22.所述隔离环的外沿周边设有隔离垫片。
23.进一步，
24.所述隔离环的外沿周边设有第二电极连接环，所述第二电极连接环与所述第一电极连接环之间设有所述隔离垫片，所述第二电极连接环与所述第二电极金属块固定连接；
25.所述封装伞裙一端、第一电极连接环、隔离环、隔离垫片、第二电极连接环、第二电极金属块间为气密性连接。
26.进一步，
27.所述第一电极金属环和第一电极连接环通过铜箔连接在一起，所述铜箔向内弯折；
28.所述铜箔向内弯折处设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧为2个碟簧背靠背对放在一起安装组成，所述蝶形弹簧通过弹簧固定片固定于所述铜箔向内弯折处。
29.进一步，
30.所述气密性连接为焊接，所述第一电极连接环与第二电极连接环之间的密封方式是经过所述第二电极金属块与隔离环的焊接实现。
31.进一步，
32.所述芯片为集成门极换流晶闸管芯片；
33.所述第一电极为门极；
34.所述第一电极金属环为门极环；
35.所述第一电极连接环为门极连接环；
36.所述第二电极为阴极；
37.所述第二电极金属片为阴极片；
38.所述第二电极金属块为阴极块；
39.所述第二电极连接环为阴极连接环。
40.进一步，
41.所述隔离环为陶瓷隔离环；
42.所述芯片固定环由聚丙烯制成；
43.所述封装伞裙为陶瓷伞裙。
44.本实用新型的芯片封装结构使得在集成门极换流晶闸管封装结构中，一方面极大
缩短了门极连接环与阴极连接环的间距、降低了换流电感，另一方面保证了腔体内部的真空度；通过在外侧安装聚丙烯等材料制造的芯片固定环，易于实现芯片的安装定位。
45.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
46.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1示出了根据现有技术的传统igct器件封装结构横截面示意图；
48.图2示出了根据现有技术的传统gct芯片靠近中心单元的换流路径示意图；
49.图3示出了根据现有技术的传统gct芯片靠近外侧单元的换流路径示意图；
50.图4示出了根据本实用新型实施例的具有低杂散电感特性的新型igct 封装结构横截面示意图；
51.图5示出了根据本实用新型实施例的具有低杂散电感特性的新型igct 封装结构分解结构示意图；
52.图6示出了根据本实用新型实施例的具有低杂散电感特性的新型igct 封装结构换流路径示意图；
53.图7示出了根据本实用新型实施例的igct门极压接组件示意图；
54.图8示出了根据本实用新型实施例的最终封装后产品示意图。
具体实施方式
55.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
56.图4和图5分别示出了本实用新型实施例的具有低杂散电感特性的新型igct封装结构横截面示意图和分解结构示意图。在图4和图5中，1为阳极铜块，2为第一阳极焊接环，3为第二阳极焊接环，4为陶瓷伞裙，5 为阳极钼片，6为gct芯片，7为阴极片，8为门极环，9为门极连接环， 10为隔离环，11为阴极连接环，12为阴极块。
57.如图4和图5所示，以igct封装结构为例，本实用新型的具有低换流电感的芯片封装结构包括层叠结构，所述层叠结构包括依次层叠的阳极铜块1、阳极钼片5、gct芯片6、阴极片7、阴极块(可为铜块)12。所述层叠结构置于陶瓷伞裙4的内部腔中，阳极铜块1和阴极块12分置于陶瓷伞裙4两端的端口。
58.阳极铜块1外固定有第一阳极焊接环2，第一阳极焊接环2外固定焊接有第二阳极焊接环3，第二阳极焊接环3固定于陶瓷伞裙4一端的边沿上。
59.gct芯片6周围设有芯片固定环，芯片固定环用于固定gct芯片6，芯片固定环可由聚丙烯制成。阴极片(可为钼片)7具有两个相对的平整的表面：第一表面和第二表面，阴极片7的第一表面与gct芯片6表面上的阴极贴合，阴极片7的第二表面与阴极块12的一个端面贴合，阴极片7和阴极块12贴近阴极片7的一端向外与门极环8连接，门极环8内设有门极连接环9。gct芯片6所述表面的边缘设有门极，门极环8与gct芯片6 上的门极通过竖直方向上的压力接触连接，同时门极环8通过压力接触连接向外延伸的门极连接环9，门极连接环9由门极环8的内周边向外延伸，门极连接环9经过芯片固定环的边沿从陶瓷伞裙4另一端的边沿向外延伸，芯片固定环的高度不小于门极环8的高度与gct芯片6的厚度之和。
60.门极连接环9和阴极块12通过隔离环10隔开。阴极块12周边贴合设有阴极连接环11，门极连接环9和阴极连接环11也通过隔离环10隔开。
61.封装时，在陶瓷伞裙4内装入gct芯片6后，再固定并焊接第一阳极焊接环2和第二阳极焊接环3以保证陶瓷伞裙4内的腔体的气密性。gct 芯片6所处的陶瓷伞裙4的腔体内通过阳极铜块1、第一阳极焊接环2、第二阳极焊接环3、陶瓷伞裙4、门极连接环9、阴极连接环11、隔离环10、阴极块12几个组件之间的焊接实现气密性连接。
62.采用本实用新型的封装结构后，芯片靠近中心与靠近外侧的换流路径如图6所示，为芯片门极-门极环8-门极连接环9-阴极连接环11-阴极块12
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阴极片7-芯片阴极，所述换流路径所包含的面积远小于现有技术的换流路径所包含的面积，从而本实用新型的封装结构具有比现有技术具有低的换流电感。
63.gct芯片6的门极通过门极连接环9以压接形式实现管壳结构与芯片的连接，且门极位于整个芯片的最外侧边缘。由于门极结构的外移，阴极块12表面无须和现有技术一样设置放置门极连接环9的沟槽结构。
64.图7所示为本实用新型的中igct门极压接组件，包括门极环8、门极连接环9、门极铜箔13、蝶形弹簧14、弹簧固定片15，门极环8可为钼环。所述门极环8和门极连接环9通过门极铜箔13连接在一起。门极铜箔13 向内弯折，起到导通门极电流的作用。此设计可以明显降低电路中的杂散电感，保证门极电流通流的稳定。蝶形弹簧14为2个碟簧对放在一起，并通过弹簧固定片15固定，蝶形弹簧14对门极环8、门极连接环9、门极铜箔13提供稳定的压力，保证了门极环8、门极连接环9、门极铜箔13的压接面通过均匀电流。所述压力的大小通过gct芯片6的要求确定。所述陶瓷隔离环10起到了密封、固定门极铜箔13，隔离门极和阴极电位的作用。
65.图7也示出了所述门极连接环9与阴极连接环11之间的密封方式。所述密封方式不是通过现有技术的陶瓷隔离环直接焊接固定，而是经过阴极块12与陶瓷隔离环10的焊接实现，一方面极大缩短了门极连接环9与阴极连接环11的间距，降低工艺难度，并减少电路中的杂散电感，另一方面保证了腔体内部的真空度。
66.gct芯片6通过在外侧安装聚丙烯等材料制造的芯片固定环，易于实现芯片的安装定位。
67.本实用新型的芯片封装结构最终封装后产品示意图如图8所示。
68.本实用新型的芯片封装结构使得在集成门极换流晶闸管封装结构中，一方面极大缩短了门极连接环9与阴极连接环11的间距、降低了换流电感，另一方面保证了腔体内部的真空度；通过在外侧安装聚丙烯等材料制造的芯片固定环，易于实现芯片的安装定位。
69.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种芯片封装结构，其特征在于，包括：芯片，所述芯片第一表面的边缘设有第一电极；所述第一电极上设有第一电极金属环；所述第一电极金属环上设有第一电极连接环；所述第一电极与所述第一电极金属环通过压力接触；所述第一电极金属环与所述第一电极连接环通过压力接触。2.根据权利要求1所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述芯片封装结构还包括第二电极金属片和第二电极金属块，所述第二电极金属片的两个表面平整，所述第二电极金属片的一个表面与所述芯片第一表面上的第二电极贴合，所述第二电极金属片的另一个表面与所述第二电极金属块的一个端面贴合。3.根据权利要求2所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述第二电极金属片及所述第二电极金属块与所述第二电极金属片贴合的一端的周边外沿通过隔离环与所述第一电极金属环隔离开。4.根据权利要求3所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述第一电极金属环周边外沿设有芯片固定环，所述芯片固定环的内沿接触固定所述芯片，所述芯片固定环的高度不小于所述第一电极金属环的高度与所述芯片厚度之和。5.根据权利要求4所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述芯片封装结构包括封装伞裙，所述芯片固定环设于所述封装伞裙的腔内；所述第一电极连接环由所述隔离环的周边向外延伸，经过所述芯片固定环的边沿从所述封装伞裙一端的边沿向外延伸。6.根据权利要求5所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述隔离环的外沿周边设有隔离垫片。7.根据权利要求6所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述隔离环的外沿周边设有第二电极连接环，所述第二电极连接环与所述第一电极连接环之间设有所述隔离垫片，所述第二电极连接环与所述第二电极金属块固定连接；所述封装伞裙一端、第一电极连接环、隔离环、隔离垫片、第二电极连接环、第二电极金属块间为气密性连接。8.根据权利要求7所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述第一电极金属环和第一电极连接环通过铜箔连接在一起，所述铜箔向内弯折；所述铜箔向内弯折处设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧为2个碟簧背靠背对放在一起安装组成，所述蝶形弹簧通过弹簧固定片固定于所述铜箔向内弯折处。9.根据权利要求7所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述气密性连接为焊接，所述第一电极连接环与第二电极连接环之间的密封方式是经过所述第二电极金属块与隔离环的焊接实现。10.根据权利要求8或9所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述芯片为集成门极换流晶闸管芯片；所述第一电极为门极；所述第一电极金属环为门极环；
所述第一电极连接环为门极连接环；所述第二电极为阴极；所述第二电极金属片为阴极片；所述第二电极金属块为阴极块；所述第二电极连接环为阴极连接环。11.根据权利要求10所述的一种芯片封装结构，其特征在于，所述隔离环为陶瓷隔离环；所述芯片固定环由聚丙烯制成；所述封装伞裙为陶瓷伞裙。

技术总结
本实用新型提供一种芯片封装结构，所述芯片封装结构包括芯片，所述芯片第一表面的边缘设有第一电极；所述第一电极上设有第一电极金属环；所述第一电极金属环上设有第一电极连接环；所述第一电极与所述第一电极金属环通过压力接触；所述第一电极金属环与所述第一电极连接环通过压力接触。本实用新型的芯片封装结构使得在集成门极换流晶闸管封装结构中，一方面极大缩短了门极连接环与阴极连接环的间距、降低了换流电感，另一方面保证了腔体内部的真空度；通过在外侧安装聚丙烯等材料制造的芯片固定环，易于实现芯片的安装定位。易于实现芯片的安装定位。易于实现芯片的安装定位。


技术研发人员：余占清 刘佳鹏 蔡放 曾嵘 赵彪 陈政宇 吴锦鹏
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2021.01.11
技术公布日：2022/3/8