專利名稱：一種功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(IGBT )具有通態(tài)壓降低、電流容量大、輸入阻抗高、響應(yīng)速度快和控制簡單的特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)、信息、新能源、醫(yī)學(xué)、交通、軍事和航空領(lǐng)域。對于焊接式IGBT模塊而言，功率半導(dǎo)體芯片2’通過錫銀焊層、襯板設(shè)置于基板 1’上，芯片正面電極之間的互連普遍采用引線3’(粗鋁線或粗銅線)鍵合的方式，如圖1所示。因此，焊接式IGBT模塊內(nèi)部有很多引線鍵合點(diǎn)。即使隨著模塊封裝技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和引線鍵合參數(shù)的不斷優(yōu)化，鍵合點(diǎn)的可靠性仍不能得到保障。這是由于引線線長較大，引線電感較大，且承受振動能力較差，容易發(fā)生斷裂。因此，IGBT模塊的可靠性仍屬于較薄弱的環(huán)節(jié)。另外，焊接式IGBT模塊中，還需灌注硅膠4’，用于保護(hù)功率半導(dǎo)體芯片2，，但是硅膠4’會降低模塊的散熱性能，降低功率密度，導(dǎo)致模塊體積難以縮小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在IGBT模塊中散熱性能差、體積難以縮小以及可靠性難以保障的技術(shù)問題。本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊從下至上依次包括金屬板、功率半導(dǎo)體芯片和電極引出片；所述金屬板用于承載功率半導(dǎo)體芯片，并為功率半導(dǎo)體芯片提供電流通路；電極引出片上設(shè)有連接端子，用于與功率半導(dǎo)體芯片連接實現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片的互連。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電極引出片為復(fù)合母排或多層印制電路板。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬板與功率半導(dǎo)體芯片之間設(shè)有第一彈性板，第一彈性板上設(shè)有芯片窗口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位和固定。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，功率半導(dǎo)體芯片與電極引出片之間設(shè)有第二彈性板， 第二彈性板上穿設(shè)有帶狀線，用于將功率半導(dǎo)體芯片與電極引出片相連。所述第二彈性板的下表面設(shè)有第一定位口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位?；蛘?，電極引出片的下表面設(shè)有第二定位口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬板的下表面設(shè)有散熱器。本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體模塊，芯片直接設(shè)置于金屬板上，然后通過將電極引出片直接壓到功率半導(dǎo)體芯片表面，實現(xiàn)芯片間互連，封裝工藝簡化，能有效縮小模塊的體積，降低引線電感，模塊的可靠性得到保證。另外，本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊為壓接式封裝結(jié)構(gòu)，無需灌入保護(hù)膠，且能同時通過金屬板進(jìn)行散熱，因此其散熱性能也得到提高。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中焊接式IGBT模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例一的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊中IGBT芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中A-A剖面圖。圖5為本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊中FRD芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5中B-B剖面圖。圖7為第一彈性板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明實施例二的功率半導(dǎo)體模塊中第一彈性板與功率半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8中C-C剖面圖。圖10為本發(fā)明實施例二的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為本發(fā)明實施例三的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12為本發(fā)明實施例四的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為本發(fā)明實施例五的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14為本發(fā)明實施例六的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15為本發(fā)明實施例七的功率半導(dǎo)體模塊中金屬板、第一彈性板與功率半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1’ -焊接式IGBT模塊中的基板，2’ _焊接式IGBT模塊中的功率半導(dǎo)體芯片，3’ -焊接式IGBT模塊中的引線，4’ -硅膠；
1-金屬板，2-功率半導(dǎo)體芯片，3-電極弓丨出片，4-第一彈性板，5-第二彈性板，6-帶狀線，21-IGBT芯片，210-集電極，211-第一發(fā)射極，212-第一柵極，22-FRD芯片，220-陰極， 221-陽極，31-第二發(fā)射極，32-第二柵極，33-第二定位口 ；41-芯片窗口，51-第一定位口。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例一
功率半導(dǎo)體芯片2中各芯片的厚度若相同，則可直接采用平面的電極引出片3壓接于芯片表面，實現(xiàn)芯片間互連。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，功率半導(dǎo)體模塊從下至上依次包括金屬板1、功率半導(dǎo)體芯片2和電極引出片3。金屬板1用于承載功率半導(dǎo)體芯片2，并為功率半導(dǎo)體芯片2提供電流通路。電極引出片3上設(shè)有連接端子，用于與功率半導(dǎo)體芯片2連接以實現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片2之間的互連。本發(fā)明中，電極引出片 3可采用復(fù)合母排或多層印制電路板。本發(fā)明中，功率半導(dǎo)體芯片2為若干IGBT芯片21和FRD芯片22。IGBT芯片21 的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，IGBT芯片21的上表面設(shè)有第一發(fā)射極211和第一柵極212，下表面設(shè)有集電極210。FRD芯片22的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示，F(xiàn)RD芯片22的上表面設(shè)有陽極221，下表面設(shè)有陰極220。IGBT芯片21的集電極210與FRD芯片22的陰極220相連， IGBT芯片21的第一發(fā)射極211與FRD芯片22的陽極221相連。
如圖2所示，IGBT芯片21和FRD芯片22均位于金屬板1上。IGBT芯片21的集電極210與金屬板1接觸，F(xiàn)RD芯片22的陰極220與金屬板1接觸。從而，通過金屬板1使得IGBT芯片21的集電極210與FRD芯片22的陰極220相連。電極引出片3上的連接端子包括第二發(fā)射極31和第二柵極32。電極引出片3上的連接端子的一端延伸至電極引出片3的下表面，用于與功率半導(dǎo)體芯片2連接；連接端子的另一端延伸至電極引出片3的上表面，實現(xiàn)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊電極的引出。具體地，IGBT芯片21的第一發(fā)射極211與電極引出片3的第二發(fā)射極31相連，IGBT芯片21的第一柵極212與電極引出片3的第二柵極32相連，F(xiàn)RD芯片22的陽極221與電極引出片 3的第二發(fā)射極31相連。從而，通過電極引出片3使得IGBT芯片21的第一發(fā)射極211與 FRD芯片22的陽極221相連。因此，本發(fā)明中金屬板1作為模塊的集電極C，電極引出片3對功率半導(dǎo)體芯片2 進(jìn)行互連并實現(xiàn)電極引出，作為模塊的柵極G和發(fā)射極E。具體地，IGBT芯片21的集電極 210與FRD芯片22的陰極220通過金屬板1上表面連接(即反并聯(lián))，通過金屬板1引出至模塊的集電極C ；IGBT芯片21的第一柵極212通過電極引出片3的第二柵極32進(jìn)行互連并引出至模塊的柵極G ；IGBT芯片21的第一發(fā)射極211與FRD芯片22的陽極221通過電極引出片3的第二發(fā)射極31進(jìn)行互連并引出至模塊的發(fā)射極E。由于功率半導(dǎo)體芯片2之間通過電極引出片3壓接方式實現(xiàn)互連和電極引出，大大提高模塊可靠性；同時不存在線長較大的引線，引線電感也相應(yīng)降低、承受振動能力增強(qiáng)。另外，本發(fā)明提供的壓接式功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)，無需再灌注保護(hù)膠，能保證模塊良好的散熱性。本發(fā)明中，金屬板1既為本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊提供電流通路，也提供散熱通路。優(yōu)選情況下，金屬板1的下表面還可設(shè)有散熱器(附圖中未示出)，對金屬板1進(jìn)行散熱， 從而進(jìn)一步提高本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的散熱性能。因此，本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊通過雙面散熱、雙面通電流，能減小模塊的熱阻，增加模塊的功率密度，同時還可減小模塊內(nèi)部的寄生參數(shù)，例如電阻和電感。實施例二
為了更好地對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位，本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體模塊優(yōu)選還含有第一彈性板4。如圖10所示，第一彈性板4位于金屬板1與功率半導(dǎo)體芯片2之間，用于對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位。第一彈性板可采用耐高溫絕緣橡膠或塑料板材。第一彈性板4的結(jié)構(gòu)如圖7所示，第一彈性板4上設(shè)有芯片窗口 41，該芯片窗口 41內(nèi)用于放置功率半導(dǎo)體芯片2，從而實現(xiàn)對功率半導(dǎo)體芯片2的定位和固定。因此，本實施例提供的功率半導(dǎo)體模塊，從下至上依次包括金屬板1、第一彈性板 4、功率半導(dǎo)體芯片2和電極引出片3。功率半導(dǎo)體芯片2穿過第一彈性板4上的芯片窗口 41，其下表面電極(包括集電極210和陰極220)與金屬板1接觸。本實施例的功率半導(dǎo)體模塊的制備方法，可通過先將第一彈性板4固定于金屬板 1上，然后將功率半導(dǎo)體芯片2依次放置于第一彈性板4的芯片窗口 41內(nèi)，并與金屬板1接觸，即得到圖8、9所示結(jié)構(gòu)，然后再將電極引出片3壓接在功率半導(dǎo)體芯片2上，使電極引出片3上的連接端子(包括第二發(fā)射極31和第二柵極32)與功率半導(dǎo)體芯片2的相應(yīng)電極相連，封裝完成后即可得到本實施例的功率半導(dǎo)體模塊。
實施例三
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，還可直接利用電極引出片3對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位。如圖11所示，電極引出片3的下表面上還可設(shè)有第二定位口 33。通過第二定位口 33的設(shè)置，電極引出片3既能對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位，也能對模塊內(nèi)部的功率半導(dǎo)體芯片2之間進(jìn)行互連并引出。本實施例中，由于電極引出片3上的第二定位口 33具有對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位的作用，因此無需再在金屬板1上設(shè)置第一彈性板4。因此，本實施例的功率半導(dǎo)體模塊具有圖11所示結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括金屬板 1、功率半導(dǎo)體芯片2和電極引出片3，電極引出片3上設(shè)有第二定位口 33，用于對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位。實施例四
本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊中，若功率半導(dǎo)體芯片的厚度不同，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，本實施例的功率半導(dǎo)體模塊還包括第二彈性板5。如圖12所示，第二彈性板5位于功率半導(dǎo)體芯片2與電極弓丨出片3之間。從而，本發(fā)明中，可通過對第二彈性板5的厚度進(jìn)行選擇，保證對厚度不同的功率半導(dǎo)體芯片2均能與電極引出片3具有良好的接觸。第二彈性板5可采用與第一彈性板4相同的絕緣材料，也可不同。由于第二彈性板5為絕緣材料，因此第二彈性板5上還穿設(shè)有帶狀線6，用于將功率半導(dǎo)體芯片2與電極弓丨出片3相連。具體地，帶狀線6的一段與功率半導(dǎo)體芯片2的上表面的電極與電極引出片3上對應(yīng)的連接端子相連，具體地，IGBT芯片21的第一發(fā)射極211、 FRD芯片的陽極221分別通過帶狀線6與電極引出片3上的第二發(fā)射極31相連，IGBT芯片 21的第一柵極212通過帶狀線6與電極引出片3上的第二柵極32相連。帶狀線6的數(shù)量可根據(jù)模塊內(nèi)功率半導(dǎo)體芯片2的數(shù)量進(jìn)行選擇。本發(fā)明中，優(yōu)選采用良導(dǎo)體銀帶狀線。因此，本實施例的功率半導(dǎo)體模塊具有圖12所示結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括金屬板 1、功率半導(dǎo)體芯片2、第二彈性板5和電極引出片3，第二彈性板5上設(shè)有帶狀線6，用于將功率半導(dǎo)體芯片2與電極引出片3相連。實施例五本實施例的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)如圖13所示，從下至上依次包括金屬板1、第一彈性板4、功率半導(dǎo)體芯片2、第二彈性板5和電極引出片3，第二彈性板5上設(shè)有帶狀線6，用于將功率半導(dǎo)體芯片2與電極引出片3相連。由于現(xiàn)有技術(shù)中用于封裝的IGBT芯片厚度與FRD芯片的厚度常常會不同，并且為了在封裝時更能容易對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位，因此本實施例中同時采用第一彈性板4 和第二彈性板5，其中第一彈性板4用于對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位，第二彈性板5用于保證不同厚度的功率半導(dǎo)體芯片2與電極引出片3具有良好的接觸。實施例六
對于不同厚度的功率半導(dǎo)體芯片，本發(fā)明還有另一種優(yōu)選實施方式，用于保證各芯片與電極引出片均具有良好的接觸。具體地，如圖14所示，本實施例的功率半導(dǎo)體模塊從下至上依次包括金屬板1、功率半導(dǎo)體芯片2、第二彈性板5和電極引出片3 ；第二彈性板5上設(shè)有帶狀線6，用于將功率半導(dǎo)體芯片2與電極引出片3相連；第二彈性板5的下表面還設(shè)有第一定位口 51，用于對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位。本實施例中，由于第二彈性板5下表面的第一定位口 51的設(shè)置，因此無需再在金屬板1上設(shè)置第一彈性板4。即第二彈性板5同時起到對功率半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行定位和確保不同厚度的功率半導(dǎo)體芯片2與電極引出片3具有良好接觸的作用，能有效簡化功率半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮小模塊體積。實施例七
本發(fā)明中，功率半導(dǎo)體模塊為圓形或方形。例如，實施例二中所示功率半導(dǎo)體模塊為圓形。本實施例中，功率半導(dǎo)體模塊為方形，相應(yīng)地，功率半導(dǎo)體模塊中金屬板1、第一彈性板 4均為方形。金屬板1、第一彈性板4與功率半導(dǎo)體芯片2的結(jié)構(gòu)，如圖15所示。以上實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，所作出的若干改進(jìn)，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊從下至上依次包括金屬板、 功率半導(dǎo)體芯片和電極引出片；所述金屬板用于承載功率半導(dǎo)體芯片，并為功率半導(dǎo)體芯片提供電流通路；電極引出片上設(shè)有連接端子，用于與功率半導(dǎo)體芯片連接以實現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片的互連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述電極引出片為復(fù)合母排或多層印制電路板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體芯片為若干IGBT芯片和FRD芯片，IGBT芯片上設(shè)有第一發(fā)射極、第一柵極和集電極，F(xiàn)RD芯片上設(shè)有陽極和陰極；IGBT芯片的集電極與FRD芯片的陰極相連，IGBT芯片的第一發(fā)射極與FRD芯片的陽極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述IGBT芯片和FRD芯片均位于金屬板上，IGBT芯片的集電極與金屬板接觸，F(xiàn)RD芯片的陰極與金屬板接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述電極引出片上的連接端子包括第二發(fā)射極和第二柵極，所述IGBT芯片的第一發(fā)射極與電極引出片的第二發(fā)射極相連，IGBT芯片的第一柵極與電極引出片的第二柵極相連，F(xiàn)RD芯片的陽極與電極引出片的第二發(fā)射極相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述金屬板與功率半導(dǎo)體芯片之間設(shè)有第一彈性板，所述第一彈性板上設(shè)有芯片窗口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位和固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體芯片與電極引出片之間設(shè)有第二彈性板，所述第二彈性板上穿設(shè)有帶狀線，用于將功率半導(dǎo)體芯片與電極引出片相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述第二彈性板的下表面設(shè)有第一定位口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述電極引出片的下表面設(shè)有第二定位口，用于對功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行定位。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述金屬板的下表面設(shè)有散熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊為圓形或方形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊從下至上依次包括金屬板、功率半導(dǎo)體芯片和電極引出片；所述金屬板用于承載功率半導(dǎo)體芯片，并為功率半導(dǎo)體芯片提供電流通路；所述電極引出片為復(fù)合母排或多層印制電路板，電極引出片上設(shè)有連接端子，用于與功率半導(dǎo)體芯片連接以實現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片的互連。本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體模塊，為壓接式封裝結(jié)構(gòu)，芯片直接設(shè)置于金屬板上，然后通過電極引出片直接壓在功率半導(dǎo)體芯片表面，實現(xiàn)芯片間互連，簡化封裝工藝，同時模塊的可靠性得到保證。
文檔編號H01L25/07GK102244066SQ20111022401
公開日2011年11月16日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者劉國友, 覃榮震, 黃建偉 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司