一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電力(功率)電子學(xué)領(lǐng)域，并且更具體地涉到一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)熱底板、金屬密封框、內(nèi)部陶瓷基板、連接柱、半導(dǎo)體芯片、電路連接金屬線、陶瓷封蓋、小封蓋、管腳，其中金屬密封框、導(dǎo)熱底板、內(nèi)部陶瓷基板、半導(dǎo)體芯片依次焊接在一起，電路連接金屬線的兩端通過常規(guī)超聲波或加熱結(jié)合超聲波的鍵合設(shè)備分別鍵合在半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部陶瓷基板上形成電路通路，構(gòu)成氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部腔體。本發(fā)明的有益效果是可用于大功率半導(dǎo)體模塊(含大尺寸芯片、多芯片)的氣密封裝，有效解決了大功率半導(dǎo)體模塊氣密封裝的難題，同時(shí)降低了成本，能夠達(dá)到歐美對(duì)航空航天及軍用半導(dǎo)體元件壽命的最高要求。
【專利說明】一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力(功率)電子學(xué)領(lǐng)域，并且更具體地涉到半導(dǎo)體的封裝技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體模塊或稱電力電子模塊是為工作在相對(duì)較高的電壓(例如，大于100伏)或者相對(duì)較高的電流(例如，大于10安)的電路設(shè)計(jì)的。功率半導(dǎo)體模塊至少包括功率半導(dǎo)體晶元，用于進(jìn)行電流的切換、調(diào)節(jié)或者整流。功率半導(dǎo)體模塊的種類至少包括可控硅整流器(SCR)、功率調(diào)節(jié)器、功率晶體管、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、功率整流器、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管、或者任何其它的功率半導(dǎo)體元件。功率半導(dǎo)體模塊，特別是具有雙管結(jié)構(gòu)的大功率單相半橋快恢復(fù)二極管半導(dǎo)體模塊，被用在許多功率電子電路，尤其是逆變電焊機(jī)、電鍍電源以及變頻器等電路中。這種類型的功率半導(dǎo)體模塊包含例如由塑料制造的殼體。所述塑料由例如環(huán)氧樹酯等可硬化鑄造的復(fù)合物組成，這意味著熱固性的塑料被選擇用于此目的。功率半導(dǎo)體模塊一般還包含基板，其中上面提到的大功率半導(dǎo)體晶元被放置在所述基板與所述殼體相配合的表面上。所述大功率半導(dǎo)體晶元以及放置在所述基板與所述殼體相配合一側(cè)表面的連接部件被封裝在所述環(huán)氧樹酯的殼體中。其中所述大功率半導(dǎo)體晶元通過所述連接部件與外露的大功率半導(dǎo)體模塊管腳或端子相連，所述管腳或端子可與外部應(yīng)用電路相連。
[0003]半導(dǎo)體器件有很多封裝型式，從芯片級(jí)封裝到系統(tǒng)封裝再到晶片級(jí)封裝技術(shù)指標(biāo)越來越先進(jìn)，封裝對(duì)于芯片說是必須的，也是至關(guān)重要的。封裝是安裝半導(dǎo)體集成電路芯片的外殼，不僅起著保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁和規(guī)格通用功能的作用，封裝的主要作用有:1)物理保護(hù)，保護(hù)芯片在電氣或熱物理等方面免受外力損壞及外部環(huán)境的影響，同時(shí)緩解熱變化引起的應(yīng)力；2)電氣連接，封裝的尺寸調(diào)整功能可由芯片的極細(xì)引線間距調(diào)整到安裝基板的尺寸間距，便于實(shí)際操作；3)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格化，封裝的尺寸、形狀、引腳數(shù)量、間距、長度等有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，增強(qiáng)設(shè)備通用性。
[0004]封裝根據(jù)封裝材料不同分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等，根據(jù)氣密性分類分為氣密性封裝和樹脂封裝兩類，每種封裝都有其獨(dú)特的地方，即它的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。一般氣密封裝適合于單個(gè)半導(dǎo)體芯片或多個(gè)小芯片的封裝，對(duì)于大功率半導(dǎo)體模塊(含大尺寸芯片、多芯片)的氣密封裝，存在封裝工藝難，成本高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，解決了大功率半導(dǎo)體模塊氣密封裝工藝復(fù)雜，成本高的問題，同時(shí)提高了大功率半導(dǎo)體模塊的使用壽命，從而能夠達(dá)到歐美對(duì)航空航天及軍用半導(dǎo)體模塊壽命的最高要求。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)熱底板、金屬密封框、內(nèi)部陶瓷基板、連接柱、半導(dǎo)體芯片、電路連接金屬線、陶瓷封蓋、小封蓋、管腳，其中金屬密封框、導(dǎo)熱底板、內(nèi)部陶瓷基板、半導(dǎo)體芯片依次焊接在一起，電路連接金屬線的兩端通過常規(guī)超聲波或加熱結(jié)合超聲波的鍵合設(shè)備分別鍵合在半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部陶瓷基板上形成電路通路,構(gòu)成氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部腔體。連接柱底端焊接在內(nèi)部陶瓷基板上，陶瓷封蓋焊接在金屬密封框上，連接柱上端與陶瓷封蓋焊接在一起，構(gòu)成半導(dǎo)體芯片與陶瓷封蓋之間的導(dǎo)電通路。管腳焊接在陶瓷封蓋上，管腳直接與外部連接，通過連接柱、陶瓷封蓋、內(nèi)部陶瓷基板、電路連接金屬線與半導(dǎo)體芯片形成導(dǎo)電通路。小封蓋與陶瓷封蓋在保護(hù)性氣氛中焊接在一起，成為氣密封裝的最終封蓋。
[0007]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)還包括外殼用于保護(hù)大功率全氣密半導(dǎo)體模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，夕卜殼用外殼壓套與導(dǎo)熱底板壓在一起，外殼上設(shè)有螺母放置槽，管腳穿過外殼向螺母放置槽方向彎曲與外殼接觸。
[0008]優(yōu)選地，所述外殼由電絕緣材料尤其是塑料制成，起到雙重保護(hù)作用。
[0009]優(yōu)選地，連接柱和管腳的底部均浸有焊錫，用于與相關(guān)部件的焊接。
[0010]優(yōu)選地，導(dǎo)熱底板上有凹槽用于定位、固定金屬密封框，同時(shí)可保證焊錫均勻分布。
[0011]優(yōu)選地，金屬密封框呈臺(tái)階結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)熱底板采用焊錫焊接保證良好的氣密性。
[0012]優(yōu)選地，陶瓷封蓋上設(shè)計(jì)有密封孔，完成內(nèi)部工作后便于清理殘留垃圾，最后封蓋完成密封工作，同時(shí)密封孔的數(shù)量和形狀不限，所以任何形狀的可實(shí)現(xiàn)本功能的替換且包括其產(chǎn)生的有益效果在內(nèi)。
[0013]本發(fā)明的有益效果是可用于大功率半導(dǎo)體模塊(含大尺寸芯片、多芯片)的氣密封裝，有效解決了大功率半導(dǎo)體模塊氣密封裝的難題，同時(shí)降低了成本。大功率半導(dǎo)體模塊采用雙陶瓷結(jié)構(gòu)，內(nèi)部陶瓷基板和陶瓷封蓋，陶瓷基板和陶瓷封蓋均采用焊錫焊接方式進(jìn)行連接，雙陶瓷結(jié)構(gòu)具有良好的絕緣性能。陶瓷封蓋上設(shè)計(jì)有密封孔，完成內(nèi)部工作后便于清理殘留垃圾。此外，采用此種封裝形式的大功率半導(dǎo)體模塊，其使用壽命超過30年，能夠達(dá)到歐美對(duì)航空航天及軍用半導(dǎo)體元件壽命的最高要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的外形圖。
[0015]圖2為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)熱底板結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖4為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的金屬密封框圖。
[0018]圖5為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部陶瓷基板圖。
[0019]圖6為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的陶瓷封蓋圖。
[0020]圖7為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的塑料外殼圖。
[0021]圖8為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的基體裝配圖。
[0022]圖9為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的基體及半導(dǎo)體芯片裝配圖。
[0023]圖10為大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的管腳裝配圖。
[0024]圖中所不標(biāo)記如下:1、導(dǎo)熱底板；2、焊錫片a ;3、金屬乾'封框；4、焊錫片b ;5、內(nèi)部陶瓷基板；6、連接柱；7、焊錫片c ;8、半導(dǎo)體芯片；9、電路連接金屬線；10、焊錫片d ;11、陶瓷封蓋；12、焊錫片e ;13、封蓋；14、管腳；15、塑料外殼；16、塑料外殼壓套；17、螺母；11_2、 陶瓷基體；11_3、通孔a ;11-4、上面金屬膜；11-5、通孔b。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]下面參見各附圖，附圖中類似的數(shù)字表示相同或相應(yīng)的部件，需要說明的是附圖中各組件和元件的數(shù)量及形狀僅示意性說明了本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明。
[0027]圖1是模塊封裝好以后的外形圖，大功率半導(dǎo)體模塊本身用外螺釘通過塑料外殼壓套16內(nèi)部的孔固定在外部散熱器上。管腳17通過外螺釘和管腳17下面的螺母與外電路連接。
[0028]圖2是本發(fā)明大功率全氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。大功率全氣密半導(dǎo)體模塊內(nèi)部按照導(dǎo)熱底板1、焊錫片a2、金屬密封框3、焊錫片b4、內(nèi)部陶瓷基板5、焊錫片c7、連接柱6、半導(dǎo)體芯片8、電路連接金屬線9、焊錫片dlO、陶瓷封蓋11、焊錫片el2、小封蓋13、管腳14、塑料外殼15、塑料外殼壓套16、螺母17順次連接。連接柱6和管腳14的底部均浸有一定量的焊錫，用于與相關(guān)部件的焊接。其中，導(dǎo)熱底板I為模塊封裝的基礎(chǔ)，整個(gè)模塊用焊錫片a2、焊錫片b4、焊錫片c7、焊錫片dlO、焊錫片el2、連接柱6及管腳14底部自帶的焊錫焊接在一起。
[0029]將金屬密封框3與導(dǎo)熱底板I通過焊錫焊接為一體，再將內(nèi)部陶瓷基板5用焊錫焊接在導(dǎo)熱底板I上，構(gòu)成大功率氣密半導(dǎo)體模塊的基體。將半導(dǎo)體芯片8用焊錫焊接在內(nèi)部陶瓷基板5上，再將電路連接金屬線9的兩端通過常規(guī)超聲波或加熱結(jié)合超聲波的鍵合設(shè)備分別鍵合在半導(dǎo)體芯片8和內(nèi)部陶瓷基板5上形成電路通路，構(gòu)成氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部腔體。
[0030]將連接柱6通過其底部的浸錫焊接在內(nèi)部陶瓷基板5上。將陶瓷封蓋11用焊錫焊接在金屬密封框3上，然后用焊錫將連接柱6與陶瓷封蓋11焊接在一起，構(gòu)成半導(dǎo)體芯片8與陶瓷封蓋6之間的導(dǎo)電通路。將管腳14用其底部自帶的焊錫焊接在陶瓷封蓋11上，管腳14直接與外部連接，通過連接柱6、陶瓷封蓋11、內(nèi)部陶瓷基板5、電路連接金屬線9與半導(dǎo)體芯片8形成導(dǎo)電通路。將封蓋13與陶瓷封蓋11在保護(hù)性氣氛中焊接在一起，成為氣密封裝的最終封蓋。將塑料外殼15用塑料外殼壓套16與導(dǎo)熱底板I壓在一起，將螺母17放入塑料外殼15的螺母放置槽內(nèi)，然后將管腳14向螺母17方向彎曲并與塑料外殼15接觸。管腳17通過外螺釘和管腳17下面的螺母與與外電路連接固定用，模塊本身用外螺釘通過塑料外殼壓套16用于將塑料外殼15固定在導(dǎo)熱底板I上。塑料外殼15用于保護(hù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0031]陶瓷封蓋11為底面框形金屬膜用焊錫焊接在金屬密封框3上，將管腳14用焊錫焊接在陶瓷封蓋11上。11-2為陶瓷基體；11-3為通孔a,封蓋13蓋住此孔；11_4為上面金屬膜，構(gòu)成電路，并與連接柱6、管腳14、封蓋13焊接；11-5為通孔b，連接柱6從中穿過。11-3、11-5也可以是其它形狀(如方形)，根據(jù)需要數(shù)量可以變化。用焊錫將連接柱6與陶瓷封蓋11焊接在一起，最后將封蓋13焊接在陶瓷封蓋11上，完成最后的密封。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括導(dǎo)熱底板、金屬密封框、內(nèi)部陶瓷基板、連接柱、半導(dǎo)體芯片、電路連接金屬線、陶瓷封蓋、小封蓋、管腳，其中金屬密封框、導(dǎo)熱底板、內(nèi)部陶瓷基板、半導(dǎo)體芯片依次焊接在一起，電路連接金屬線的兩端通過常規(guī)超聲波或加熱結(jié)合超聲波的鍵合設(shè)備分別鍵合在半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部陶瓷基板上形成電路通路，構(gòu)成氣密半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部腔體；連接柱底端焊接在內(nèi)部陶瓷基板上，陶瓷封蓋焊接在金屬密封框上，連接柱上端與陶瓷封蓋焊接在一起，構(gòu)成半導(dǎo)體芯片與陶瓷封蓋之間的導(dǎo)電通路；管腳焊接在陶瓷封蓋上，管腳直接與外部連接，通過連接柱、陶瓷封蓋、內(nèi)部陶瓷基板、電路連接金屬線與半導(dǎo)體芯片形成導(dǎo)電通路；小封蓋與陶瓷封蓋在保護(hù)性氣氛中焊接在一起，成為氣密封裝的最終封蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)還包括外殼用于保護(hù)大功率全氣密半導(dǎo)體模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外殼用外殼壓套與導(dǎo)熱底板壓在一起，外殼上設(shè)有螺母放置槽，管腳穿過外殼向螺母放置槽方向彎曲與外殼接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外殼由電絕緣材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:連接柱和管腳的底部均浸有焊錫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征是:導(dǎo)熱底板上有凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征是:金屬密封框呈臺(tái)階結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)熱底板采用焊錫焊接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率全氣密半導(dǎo)體模塊封裝結(jié)構(gòu)，其特征是:陶瓷封蓋上設(shè)計(jì)有密封孔。
【文檔編號(hào)】H01L23/08GK103928447SQ201310010819
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月14日
【發(fā)明者】劉立東 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙航天動(dòng)力機(jī)械測試所