壓接式半導(dǎo)體模塊及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于壓接式半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣棚.雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和MOSFET (絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。BJT飽和壓降低、載流密度大、但驅(qū)動(dòng)電流較大。MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小、開關(guān)速度快、導(dǎo)通壓降大、載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
[0003]而壓接式半導(dǎo)體模塊作為IGBT模塊一種常用的封裝方式，其具有雙面散熱、更寬廣的安全工作區(qū)(S0A)、更高的工作結(jié)溫、無焊層、無引線鍵合、高可靠性等特點(diǎn)。尤其是失效短路(Fail-to-Short)的特殊特性，使其相比于BJT晶閘管以及傳統(tǒng)的引線鍵合/焊接式IGBT模塊而言，在柔性直流輸電換流閥中的器件直接串聯(lián)、苛刻應(yīng)用環(huán)境和高可靠性要求的鐵路機(jī)車主變流器等應(yīng)用領(lǐng)域中具有非常顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
[0004]如附圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的壓接型IGBT封裝結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)子模組17，一個(gè)PCB 7以及外殼(包括管蓋4、底座5和管殼23等)等部分。外殼分別連接各子模組17的集電極(漏極)和發(fā)射極(源極)，柵極通過彈簧針19與PCB 7連接，再通過PCB 7上的電路匯集到柵極引出端6。其中，銀片16的作用是補(bǔ)償半導(dǎo)體芯片I厚度不一致而產(chǎn)生的誤差，使得各半導(dǎo)體芯片I承受的壓力均勻分布，當(dāng)然也可以采用其他方案。為便于安裝子模組17，外殼的電極臺(tái)面被加工成與子模組17對(duì)應(yīng)的多個(gè)凸臺(tái)15，附圖2給出了該結(jié)構(gòu)的分解結(jié)構(gòu)示意圖。其中，每一個(gè)子模組17又是由獨(dú)立的半導(dǎo)體芯片1、鉬片(包括上鉬片2和下鉬片3)、彈簧針19以及塑料定位件18等部分構(gòu)成。半導(dǎo)體芯片I進(jìn)一步包括IGBT(Smosfet)芯片26，或者還有可能包括frd (或sbd)芯片22。
[0005]附圖3和附圖4示出了一個(gè)IGBT模塊子模組的基本結(jié)構(gòu)，如果是FRD (或SBD)芯片22則不需要彈簧針19。
[0006]在原有壓接式半導(dǎo)體模塊的基礎(chǔ)上，有人繼而提出了改進(jìn)的方案:即將半導(dǎo)體芯片I燒結(jié)在一個(gè)大的圓鉬片上，通過壓接時(shí)PCB 7的各金屬電極20與IGBT (或M0SFET)芯片26柵極的接觸實(shí)現(xiàn)IGBT (或MOSFET )芯片26柵極互連并引出至IGBT模塊，上鉬片2仍然通過壓接與半導(dǎo)體芯片I的正面金屬連接，如附圖5所示。IGBT芯片26進(jìn)一步包括柵極
13、發(fā)射極24和集電極27，F(xiàn)RD芯片22進(jìn)一步包括陰極25和陽極21。
[0007]然而無論是第一種典型的壓接式半導(dǎo)體模塊，還是單面與下鉬片3燒結(jié)的壓接式半導(dǎo)體模塊，均存在一些技術(shù)缺陷:
(I)在第一種典型的壓接式半導(dǎo)體模塊中，子模組17需安裝塑料定位件18以固定上鉬片2、下鉬片3和半導(dǎo)體芯片1，并固定定位IGBT柵極的彈簧針19，這就要求其各個(gè)部件配合緊密，因此組裝過程非常復(fù)雜，且半導(dǎo)體芯片I在壓接過程中非常容易破損。改進(jìn)后的壓接式半導(dǎo)體模塊采用單面與下鉬片3燒結(jié)的方式，雖取消了塑料定位件18，在一定程度上簡(jiǎn)化了組裝的工藝，但當(dāng)模塊遇到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)，上鉬片2可能松動(dòng)，從而導(dǎo)致與半導(dǎo)體芯片I的接觸不可靠。
[0008](2)第一種典型的壓接式半導(dǎo)體模塊采用彈簧針19與半導(dǎo)體芯片I的柵極接觸，并通過PCB 7壓接引出至模塊的外端。采用這種方式組裝復(fù)雜，壓接過程控制不好，很容易導(dǎo)致IGBT (或MOSFET )芯片26的柵極破損。而改進(jìn)后的壓接式IGBT采用PCB 7上的電極直接壓在IGBT (或M0SFET)芯片26的柵極引出至模塊的外端。雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了組裝工藝，但如果PCB 7的平整度控制不好，非常容易出現(xiàn)接觸不良的問題。
[0009](3)對(duì)于平板型功率器件而言，內(nèi)部均需通過充氮來確保其絕緣性能，但隨著平板型IGBT模塊電壓等級(jí)的不斷提升，對(duì)絕緣性能提出了更高的要求.而目前采用的充氮方式絕緣能力有限，嚴(yán)重影響了平板型IGBT模塊的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種壓接式半導(dǎo)體模塊及其制作方法，能夠有效地解決現(xiàn)有壓接式IGBT的制作方法過于復(fù)雜，壓接過程中芯片受到的應(yīng)力大，絕緣性能較差的技術(shù)問題。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了一種壓接式半導(dǎo)體模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，壓接式半導(dǎo)體模塊，包括:半導(dǎo)體芯片、上鉬片、下鉬片、管蓋、底座、柵極引出端、PCB和引線。所述上鉬片設(shè)置在所述半導(dǎo)體芯片的上表面，所述下鉬片設(shè)置在所述半導(dǎo)體芯片的下表面，所述下鉬片采用大鉬圓片結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體芯片包括IGBT芯片或MOSFET芯片，所述IGBT芯片/MOSFET芯片的集電極/漏極燒結(jié)在所述下鉬片上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的集電極/漏極。所述上鉬片燒結(jié)在IGBT芯片/MOSFET芯片的發(fā)射極/源極上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的發(fā)射極/源極。所述PCB設(shè)置在燒結(jié)有半導(dǎo)體芯片的下鉬片上，所述IGBT芯片/MOSFET芯片的柵極通過引線鍵合方式互連至所述PCB上，并通過所述PCB的內(nèi)部線路匯集至所述柵極引出端。燒結(jié)有半導(dǎo)體芯片的下鉬片固定在所述底座上，所述管蓋設(shè)置在所述上鉬片的上部。
[0012]優(yōu)選的，燒結(jié)有半導(dǎo)體芯片的下鉬片通過定位銷固定在所述底座上。
[0013]優(yōu)選的，在所述底座邊緣的臺(tái)階表面或槽內(nèi)設(shè)置有密封膠涂層。
[0014]本發(fā)明還具體提供了另外一種壓接式半導(dǎo)體模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，壓接式半導(dǎo)體模塊，包括:半導(dǎo)體芯片、上鉬片、下鉬片、管蓋、底座、柵極引出端、PCB和引線。所述上鉬片設(shè)置在所述半導(dǎo)體芯片的上表面，所述下鉬片設(shè)置在所述半導(dǎo)體芯片的下表面，所述下鉬片采用兩個(gè)或三個(gè)以上子鉬片的組合結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體芯片包括IGBT芯片或MOSFET芯片，所述IGBT芯片/MOSFET芯片的集電極/漏極燒結(jié)在所述下鉬片上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的集電極/漏極。所述上鉬片燒結(jié)在IGBT芯片/MOSFET芯片的發(fā)射極/源極上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的發(fā)射極/源極。兩面分別燒結(jié)有所述上鉬片和下鉬片的半導(dǎo)體芯片通過所述PCB固定在所述底座的凸臺(tái)上，所述IGBT芯片或MOSFET芯片的柵極通過引線鍵合方式互連至所述PCB上，并通過所述PCB的內(nèi)部線路匯集至所述柵極引出端。燒結(jié)有半導(dǎo)體芯片的下鉬片固定在所述底座上，所述管蓋設(shè)置在所述上鉬片的上部。
[0015]優(yōu)選的，在所述底座的凸臺(tái)邊緣的臺(tái)階表面設(shè)置有密封膠涂層。
[0016]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體芯片還包括FRD芯片或SBD芯片，所述FRD芯片或SBD芯片的陰極燒結(jié)在所述下鉬片上，所述FRD芯片或SBD芯片的陽極燒結(jié)在所述上鉬片上。
[0017]優(yōu)選的，所述壓接式半導(dǎo)體模塊還包括管殼，在所述管殼與兩面分別燒結(jié)上鉬片和下鉬片的半導(dǎo)體芯片之間設(shè)置有絕緣膠灌注層，所述絕緣膠灌注層的上表面低于所述上鉬片的上表面。
[0018]優(yōu)選的，所述PCB通過壓緊配合或絕緣螺絲緊固的方式安裝在燒結(jié)有半導(dǎo)體芯片的下鉬片上或安裝在所述底座上。
[0019]本發(fā)明還具體提供了一種基于上述第一種壓接式半導(dǎo)體模塊的制作方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，壓接式半導(dǎo)體模塊的制作方法，包括以下步驟:
5100:分別在半導(dǎo)體芯片的上表面、下表面燒結(jié)上鉬片和下鉬片，所述下鉬片采用大鉬圓片結(jié)構(gòu)；所述半導(dǎo)體芯片包括IGBT芯片或MOSFET芯片，將所述IGBT芯片/MOSFET芯片的集電極/漏極燒結(jié)在所述下鉬片上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的集電極/漏極，將所述上鉬片燒結(jié)在IGBT芯片/MOSFET芯片的發(fā)射極/源極上，并作為壓接式半導(dǎo)體模塊的發(fā)射極/源極；
5101:將PCB安裝在燒結(jié)有所述半導(dǎo)體芯片的下鉬片上；
5102:通過引線鍵合方式將所述IGBT芯片或MOSFET芯片的柵極互連至所述PCB上，并通過所述PCB的內(nèi)部線路匯集至柵極引出端；
S103:在底座邊緣的臺(tái)階表面或槽內(nèi)涂覆密封膠，將燒結(jié)有所述半導(dǎo)體芯片的下鉬片固定在所述底座上，并固化密封膠；
5104:在所述壓接式半導(dǎo)體模塊的管殼中注入絕緣膠并固化，所述絕緣膠的液面低于所述上鉬片的上表面；