一種功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括基體，襯板，功率半導(dǎo)體芯片，功率引出端，電路信號引出端、外殼和支架；所述的功率模塊最多設(shè)置有六組功率引出端組件與十二組電路信號引出端，并搭建成多電平電路系統(tǒng)；功率半導(dǎo)體芯片焊連在安置在基體的襯板上；在所述基體上還安置有負載連接元件；所述外殼固定在所述基體上；所述的襯板通過第二主體面上的金屬層與基體的第一主體面連接，所述第一主體面上連接有所述的負載連接元件以及用于焊連功率半導(dǎo)體芯片的襯板，并且在其對置的第二主體面上具有與一冷卻結(jié)構(gòu)相連并將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的非金屬層；所述外殼通過孔定位固定在所述基體上與第一主體面貼合。
【專利說明】一種功率半導(dǎo)體模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種功率半導(dǎo)體模塊，屬于電子封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明設(shè)計的半導(dǎo)體功率模塊設(shè)備主要用作整流器(converter)、換流器(inverter)、直流/直流轉(zhuǎn)換及其他功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。半導(dǎo)體功率芯片主要以稱為“功率半導(dǎo)體模塊”的形式而被使用，通常將多個半導(dǎo)體功率芯片安裝在本發(fā)明涉及的功率半導(dǎo)體模塊。
[0003]這些半導(dǎo)體功率設(shè)備包括其中導(dǎo)通/截止操作由外部信號控制的晶體管、具有整流特征的二極管、其他設(shè)備。典型的晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣雙柵雙極晶體管(IGBT)和雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管。
[0004]如圖1所示是一種與本發(fā)明相似的典型半導(dǎo)體功率模塊，其引出包括最多4個信號端A和最多3個功率引出端B。有限的引出端限制了單個模塊的電路集成度，在搭建多電平系統(tǒng)時連結(jié)復(fù)雜，成本高，系統(tǒng)不確定性更大。同時傳統(tǒng)的功率引出端位置和結(jié)構(gòu)也限制了襯板的利用率，也即降低了單個模塊的功率密度。另外，從內(nèi)部制作工藝上，半導(dǎo)體功率芯片與襯板之間采用固體片狀焊料，真空回流焊后定位。襯板與基體采用膏狀焊料，真空回流焊后固定。該種連接方式在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)諸多問題，譬如半導(dǎo)體芯片不可控的移位和較大的氣孔，以及在襯板與基體回流焊之后的焊料溢出和清洗問題，增加了生產(chǎn)成本，降低了成品率。信號引出線與信號引出端，使用電器焊料焊接固定，這種信號端的連接方式在使用時會出現(xiàn)信號引出端與PCB板焊接傳遞熱量使焊點二次融化而導(dǎo)致模塊失效的問題。通常會對驅(qū)動和保護電路及使用工況提出相對高的要求。
[0005]如圖1所示與本發(fā)明相似的典型半導(dǎo)體功率模塊的外殼上的平臺結(jié)構(gòu)C、平面結(jié)構(gòu)一 D、平面結(jié)構(gòu)二 E在縱橫方向上的不均勻及大面積的平面使得殼體注塑成型時容易產(chǎn)生波浪變形和雙向的翹曲，在大批量生產(chǎn)中，尺寸穩(wěn)定性難以得到保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種能提高模塊熱性能和電氣穩(wěn)定性，豐富的引出使得多電平電路能集成到一個模塊內(nèi)，具有更經(jīng)濟，也更可靠的功率半導(dǎo)體模塊。
[0007]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，所述的半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括基體，襯板，功率半導(dǎo)體芯片，功率引出端，電路信號引出端、外殼和支架；所述的功率模塊最多設(shè)置有六組功率引出端組件與十二組電路信號引出端，并搭建成多電平電路系統(tǒng)；功率半導(dǎo)體芯片焊連在安置在基體的襯板上；在所述基體上還安置有負載連接元件；所述外殼固定在所述基體上。
[0008]所述的襯板通過第二主體面上的金屬層與基體的第一主體面連接，所述第一主體面上連接有所述的負載連接元件以及用于焊連功率半導(dǎo)體芯片的襯板，并且在其對置的第二主體面上具有與一冷卻結(jié)構(gòu)相連并將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的非金屬層；所述外殼通過孔定位固定在所述基體上與第一主體面貼合。
[0009]所述的功率半導(dǎo)體芯片至少包括下面兩種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述的外殼上對應(yīng)于負載連接元件開設(shè)有供負載連接元件的接觸片插入的溝槽，并使所述負載連接元件只能在外殼與基體所限定空間內(nèi)做垂直于第一主體面有限制的移動。
[0010]所述的基板上面的襯板是由中間絕緣陶瓷層和上下覆合的導(dǎo)熱金屬材料層組成；所述的外殼是由飽和聚酯、半芳香烴聚酰胺、熱塑性聚苯硫醚中的一種工程塑料聚合物制成，
所述襯板的絕緣陶瓷層選用剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的導(dǎo)熱金屬材料為銅合金制成。
[0011]所述襯板與基體之間通過真空回流焊接方式融接有一層金屬層，并使金屬層與基體之間有很好的潤濕性能；所述襯板與基體通過所述金屬層焊接后，不同材料分界面上的氣孔占總焊接面積的比率小于3%。
[0012]所述電路信號引出端與信號引出線之間采用電阻焊方式連接；所述功率半導(dǎo)體芯片與襯板之間的鏈接采用真空回流焊接方式，并且該焊接層的材料熔點高于襯板與基體之間的金屬層。
[0013]所述功率半導(dǎo)體芯片之間、功率半導(dǎo)體芯片上表面與襯板之間采用鋁或者銅鍵合線的方式實現(xiàn)電氣連接。
[0014]所述鍵合線的材料選用硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排之一種；所述的功率半導(dǎo)體芯片上用凝膠質(zhì)密封材料覆蓋，且在凝膠質(zhì)密封材料中混入了噪聲吸收材料。
[0015]所述負載連接元件的下端部設(shè)置有由U型緩沖彎結(jié)構(gòu)構(gòu)成的彈性區(qū)域。
[0016]本發(fā)明的創(chuàng)造性在于，有豐富的功率引出端和信號引出端使得多電平電路的實現(xiàn)變得更加容易；優(yōu)化的端子引出位置提高了單位散熱面積上的過電流密度，凸顯了經(jīng)濟性。使用本發(fā)明能簡化系統(tǒng)設(shè)計，使驅(qū)動保護電路趨于簡單穩(wěn)定，應(yīng)用場合更加寬廣。功率模塊制造上看，減少了零部件數(shù)量，提高自動化程度，降低成本，提高成品率。
[0017]本發(fā)明的創(chuàng)造性還在于，它使用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的外殼，由于采用二維方向上都對稱的功率引出端設(shè)計，同時國內(nèi)塑料注塑工藝日益成熟，使得外殼上溝槽的尺寸與相對位置到使用精度，僅僅有微小的不平整和變形，大批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性強；外殼整體強度顯著提高，具有優(yōu)良的密封性能及精確的尺寸配合。另外，殼體內(nèi)部不需要加強筋，為功率芯片布局提供更多空間，整體熱阻下降；制造上，單件成型成品率高，更經(jīng)濟。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明所述的一種典型應(yīng)用電路原理圖。
圖5是本發(fā)明所述的另一種典型應(yīng)用電路原理圖。
[0021]附圖中的標號有:
圖1中，A.信號引出孔，B.功率引出孔，C.平臺結(jié)構(gòu)，D.平面結(jié)構(gòu)一，E.平面結(jié)構(gòu)二；圖2中，1.半導(dǎo)體功率模塊，2?13.溝槽，14.外殼，15.信號引出支架，16.信號引出線定位槽，17.信號引出端插槽，26.功率引出位置，31.負載連接元件，32.彈性區(qū)域，39.功率引出端組件，50.基體，51.基體第一主體面，52.彈性金屬環(huán)，55.非金屬層，63.襯板，64.襯板第二主體面，65.金屬層，66.導(dǎo)熱金屬材料，67.絕緣陶瓷層，74.半導(dǎo)體芯片，76.半導(dǎo)體芯片表面，85?96.信號引出端，97.外殼固定平臺，102.信號引出線，104.絕緣陶瓷層第一主體面，113.信號引出端焊接位置，122?133.引號引出端定位槽。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的介紹:圖2、3所示，本發(fā)明所述的半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括基體，襯板，功率半導(dǎo)體芯片，功率引出端，電路信號引出端、外殼和支架；所述的功率模塊最多設(shè)置有六組功率引出端組件39與十二組電路信號引出端85-96，并搭建成包括圖4、5所示在內(nèi)以及其所衍生的多電平電路系統(tǒng)；功率半導(dǎo)體芯片74焊連在安置在基體50的襯板63上；在所述基體50上海安置有負載連接元件31 ;所述外殼14固定在所述基體50上。
[0023]所述的襯板63通過第二主體面64上的金屬層65與基體50的第一主體面51連接，所述第一主體面51上連接有所述的負載連接元件31以及用于焊連功率半導(dǎo)體芯片74的襯板63，并且在其對置的第二主體面64上具有與一冷卻結(jié)構(gòu)相連并將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的非金屬層55 ;所述外殼14通過孔定位固定在所述基體50上與第一主體面51貼
八
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[0024]所述的功率半導(dǎo)體芯片74至少包括下面兩種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述的外殼14上對應(yīng)于負載連接元件31開設(shè)有供負載連接元件31的接觸片39插入的溝槽2-13，并使所述負載連接元件31只能在外殼14與基體50所限定空間內(nèi)做垂直于第一主體面50有限制的移動。
[0025]所述的基板50上面的襯板63是由中間絕緣陶瓷層67和上下覆合的導(dǎo)熱金屬材料層66組成；所述的外殼14是由飽和聚酯、半芳香烴聚酰胺、熱塑性聚苯硫醚中的一種工程塑料聚合物制成，
所述襯板63的絕緣陶瓷層67選用剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的導(dǎo)熱金屬材料66為銅合金制成。
[0026]所述襯板63與基體50之間通過真空回流焊接方式融接有一層金屬層65，并使金屬層65與基體50之間有很好的潤濕性能；所述襯板63與基體50通過所述金屬層64焊接后，不同材料分界面上的氣孔占總焊接面積的比率小于3%。
[0027]所述電路信號引出端85-96與信號引出線[102]之間采用電阻焊方式連接；所述功率半導(dǎo)體芯片74與襯板63之間的鏈接采用真空回流焊接方式，并且該焊接層的材料熔點高于襯板63與基體50之間的金屬層65。[0028]所述功率半導(dǎo)體芯片之間、功率半導(dǎo)體芯片上表面與襯板63之間采用鋁或者銅鍵合線的方式實現(xiàn)電氣連接。
[0029]所述鍵合線的材料選用硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排之一種；所述的功率半導(dǎo)體芯片上用凝膠質(zhì)密封材料覆蓋，且在凝膠質(zhì)密封材料中混入了噪聲吸收材料。
[0030]所述負載連接元件31的下端部設(shè)置有由U型緩沖彎結(jié)構(gòu)構(gòu)成的彈性區(qū)域32。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括基體，襯板，功率半導(dǎo)體芯片，功率引出端，電路信號引出端、外殼和支架；其特征在于所述的功率模塊最多設(shè)置有六組功率引出端組件與十二組電路信號引出端，并搭建成多電平電路系統(tǒng)；功率半導(dǎo)體芯片焊連在安置在基體的襯板上；在所述基體上海安置有負載連接元件；所述外殼固定在所述基體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的襯板通過第二主體面上的金屬層與基體的第一主體面連接，所述第一主體面上連接有所述的負載連接元件以及用于焊連功率半導(dǎo)體芯片的襯板，并且在其對置的第二主體面上具有與一冷卻結(jié)構(gòu)相連并將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的非金屬層；所述外殼通過孔定位固定在所述基體上與第一主體面貼合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的功率半導(dǎo)體芯片至少包括下面兩種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述的外殼上對應(yīng)于負載連接元件開設(shè)有供負載連接元件的接觸片插入的溝槽，并使所述負載連接元件只能在外殼與基體所限定空間內(nèi)做垂直于第一主體面有限制的移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的基板上面的襯板是由中間絕緣陶瓷層和上下覆合的導(dǎo)熱金屬材料層組成；所述的外殼是由飽和聚酯、半芳香烴聚酰胺、熱塑性聚苯硫醚中的一種工程塑料聚合物制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述襯板的絕緣陶瓷層選用剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的導(dǎo)熱金屬材料為銅合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述襯板與基體之間通過真空回流焊接方式融接有一層金屬層，并使金屬層與基體之間有很好的潤濕性能；所述襯板與基體通過所述金屬層焊接后，不同材料分界面上的氣孔占總焊接面積的比率小于3%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述電路信號引出端與信號引出線之間采用電阻焊方式連接；所述功率半導(dǎo)體芯片與襯板之間的鏈接采用真空回流焊接方式，并且該焊接層的材料熔點高于襯板與基體之間的金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述功率半導(dǎo)體芯片之間、功率半導(dǎo)體芯片上表面與襯板之間采用鋁或者銅鍵合線的方式實現(xiàn)電氣連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述鍵合線的材料選用硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排之一種；所述的功率半導(dǎo)體芯片上用凝膠質(zhì)密封材料覆蓋，且在凝膠質(zhì)密封材料中混入了噪聲吸收材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述負載連接元件的下端部設(shè)置有由U型緩沖彎結(jié)構(gòu)構(gòu)成的彈性區(qū)域。
【文檔編號】H01L25/07GK103779342SQ201410033907
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】錢峰 申請人:嘉興斯達微電子有限公司