一種智能半導(dǎo)體功率模塊的制作方法
【專利摘要】一種智能半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括：基體、外殼、功率引出端組件、信號(hào)輸入輸出接口、集成電路載體、半導(dǎo)體芯片，有六組功率引出端組件與十組信號(hào)輸入輸出接口用于搭建智能功率電路系統(tǒng)，安裝有可替換電子元器件的集成電路載體通過(guò)焊接在襯板上的連結(jié)插件固定在襯板上；所述集成電路載體上的信號(hào)輸入輸出端從豎直方向穿過(guò)信號(hào)輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)與外殼的連結(jié)；所述基體在第一主體面上具有功率引出端組件以及用于承載半導(dǎo)體芯片的襯板，并且在其對(duì)置的第二主體面下具有用于將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的散熱層。
【專利說(shuō)明】一種智能半導(dǎo)體功率模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及的是一種智能半導(dǎo)體功率模塊，屬于功率模塊封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體功率模塊主要用作整流器(converter)、換流器(inverter)、直流AC/直流DC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(gè)半導(dǎo)體功率芯片安裝在功率半導(dǎo)體模塊中。
[0003]這些半導(dǎo)體功率模塊包括其中導(dǎo)通/截止操作由模塊內(nèi)部控制電路板發(fā)出的信號(hào)控制的晶體管、具有整流特征的二極管、及其它元件。典型的晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管。
[0004]如圖1所示為與本實(shí)用新型相似的典型半導(dǎo)體功率模塊，其引出包括最多4個(gè)信號(hào)端A和最多3個(gè)功率引出端B。有限的引出端限制了單個(gè)模塊的電路集成度，在搭建多電平系統(tǒng)時(shí)連結(jié)復(fù)雜，成本高，系統(tǒng)不確定性更大。同時(shí)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(gè)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(wèn)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(wèn)題，增加了生產(chǎn)成本，降低了成品率。信號(hào)引出線與信號(hào)引出端，使用電器焊料焊接固定，這種信號(hào)端的連接方式在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)引出端與PCB板焊接傳遞熱量使焊點(diǎn)二次融化而導(dǎo)致模塊失效的問(wèn)題。通常會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路及使用工況提出相對(duì)高的要求。
[0005]如圖1所示與本實(shí)用新型相似的典型半導(dǎo)體功率模塊，當(dāng)用其組成如圖4、5、6的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，需要多個(gè)模塊拼湊；同時(shí)在外部需要用銅排形成主電路，控制信號(hào)則分別由每個(gè)模塊的信號(hào)端A匯聚到外部控制電路的接口上。系統(tǒng)搭建非常復(fù)雜，體積龐大，穩(wěn)定性差。各個(gè)模塊之間不可避免的存在線路電感電容差異，且散熱條件不均勻，整機(jī)運(yùn)行時(shí)容錯(cuò)率低，故障率高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)行穩(wěn)定性好的智能半導(dǎo)體功率模塊。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的，所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括:基體、外殼、功率引出端組件、信號(hào)輸入輸出接口、集成電路載體、半導(dǎo)體芯片，有六組功率引出端組件與十組信號(hào)輸入輸出接口用于搭建智能功率電路系統(tǒng)，安裝有可替換電子元器件的集成電路載體通過(guò)焊接在襯板上的連結(jié)插件固定在襯板上；所述集成電路載體上的信號(hào)輸入輸出端從豎直方向穿過(guò)信號(hào)輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)與外殼的連結(jié)。
[0008]所述基體在第一主體面上具有功率引出端組件以及用于承載半導(dǎo)體芯片的襯板，并且在其對(duì)置的第二主體面下具有用于將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的散熱層。
[0009]所述的半導(dǎo)體芯片至少包括下面多種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述集成電路載體上的快速接口與連結(jié)插針通過(guò)自動(dòng)焊接實(shí)現(xiàn)電氣連結(jié)。
[0010]所述襯板由中間的絕緣陶瓷層和上下兩層導(dǎo)熱金屬材料層組成，其中所述絕緣陶瓷層的材料選自剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的一種；所述散熱層由環(huán)氧化物、相變材料、膏和凝膠中的一種材料制成。
[0011]所述的基體與襯板之間采用真空回流焊接方式融接有金屬層；所述襯板上通過(guò)真空回流焊接方式焊連有半導(dǎo)體芯片，并且所述焊接形成的焊接層材料包括固定銅合金和液態(tài)銀合金中的一種。
[0012]所述半導(dǎo)體芯片與芯片之間、芯片上表面與襯板之間采用鋁材或者銅材鍵合的方式實(shí)現(xiàn)電氣連接；其中的鍵合線材料選之硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排中的一種。
[0013]所述半導(dǎo)體芯片上覆蓋有凝膠質(zhì)密封材料，且在凝膠質(zhì)密封材料中混入有噪聲吸收材料。
[0014]本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)行穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種典型舊封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型所述的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本實(shí)用新型的剖視圖。
[0018]圖4是一種典型應(yīng)用電路原理圖。
[0019]圖5是另一種典型應(yīng)用電路原理圖。
[0020]圖6是又一種典型應(yīng)用電路原理圖。
[0021]圖1中的標(biāo)號(hào)是:A.信號(hào)引出孔；B.功率引出孔；
[0022]圖2中的標(biāo)號(hào)是:1.半導(dǎo)體功率模塊；2?13.溝槽；14.連結(jié)插件；15.集成電路載體；16.電子兀器件；17.信號(hào)輸入輸出端；18.外殼；21.功率引出端組件；22.功率引出端接觸面；3f43.功率引出位置；52.彈性金屬環(huán)；57.散熱層；60.基體；61.基體第一主體面；63.導(dǎo)熱金屬材料；64.襯板；65.基體第二主體面；67.絕緣陶瓷層；76.半導(dǎo)體芯片表面
[0023]77.焊接層；83.輸入輸出引出端快速接口 ；85.連結(jié)插件快速接口 ；87.外殼固定平臺(tái)；95.集成電路金屬層；104.金屬層；112?122.信號(hào)輸入輸出接口。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的介紹:圖2、3所示，本實(shí)用新型所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括:基體60、外殼18、功率引出端組件、信號(hào)輸入輸出接口、集成電路載體15、半導(dǎo)體芯片74，有六組功率引出端組件21與10組信號(hào)輸入輸出接口112?122用于搭建包括圖4、5、6在內(nèi)以及其所衍生的智能功率電路系統(tǒng)，安裝有可替換電子元器件16的集成電路載體15通過(guò)焊接在襯板64上的連結(jié)插件14固定在襯板64上；所述集成電路載體15上的信號(hào)輸入輸出端17從豎直方向穿過(guò)信號(hào)輸入輸出接口 112?122實(shí)現(xiàn)與外殼18的連結(jié)。
[0025]所述基體60在第一主體面61上具有功率引出端組件21以及用于承載半導(dǎo)體芯片74的襯板64，并且在其對(duì)置的第二主體面65下具有用于將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的散熱層57。
[0026]所述的半導(dǎo)體芯片74至少包括下面多種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述集成電路載體15上的快速接口 85與連結(jié)插針14通過(guò)自動(dòng)焊接實(shí)現(xiàn)電氣連結(jié)。
[0027]所述襯板64由中間的絕緣陶瓷層67和上下兩層導(dǎo)熱金屬材料層63組成，其中所述絕緣陶瓷層67的材料選自剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的一種；所述散熱層57由環(huán)氧化物、相變材料、膏和凝膠中的一種材料制成。
[0028]所述的基體60與襯板64之間采用真空回流焊接方式融接有金屬層104 ;所述襯板64上通過(guò)真空回流焊接方式焊連有半導(dǎo)體芯片74，并且所述焊接形成的焊接層77材料包括固定銅合金和液態(tài)銀合金中的一種。
[0029]所述半導(dǎo)體芯片74與芯片之間、芯片上表面76與襯板64之間采用鋁材或者銅材鍵合的方式實(shí)現(xiàn)電氣連接；其中的鍵合線材料選之硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排中的一種。
[0030]所述半導(dǎo)體芯片74上覆蓋有凝膠質(zhì)密封材料，且在凝膠質(zhì)密封材料中混入有噪聲吸收材料。
[0031]圖2所示，本實(shí)用新型的創(chuàng)造性在于:首先，本智能功率模塊提供了6個(gè)功率引出端組件21，易實(shí)現(xiàn)目前較先進(jìn)的多電平電路及多單元整合。其次，在封裝中內(nèi)嵌了配套的控制電路，且在出廠時(shí)經(jīng)過(guò)內(nèi)部調(diào)試，應(yīng)用更加方便。使用了本實(shí)用新型的新方法能簡(jiǎn)化外部系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試簡(jiǎn)單，整機(jī)更加穩(wěn)定。從功率模塊制造上看，減少了零部件數(shù)量和人工參與的工序，可以實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化，降低制造成本，提高成品率。該功率模塊的特征是:在復(fù)雜電路機(jī)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝中內(nèi)嵌了適合該半導(dǎo)體芯片性能的控制電路板，解決了實(shí)際應(yīng)用中多發(fā)的控制電路與模塊性能不匹配的問(wèn)題，使用更加方便，整機(jī)集成度更高。
[0032]本實(shí)用新型的創(chuàng)造性在于，從電路結(jié)構(gòu)上。如圖2所示半導(dǎo)體芯片74的控制與反饋信號(hào)從襯板64的導(dǎo)熱金屬材料63上匯聚到連結(jié)插件14，連結(jié)插件14直接連結(jié)到集成電路載體15上。相對(duì)于典型的半導(dǎo)體模塊封裝方式中人工繞線焊接的方法，信號(hào)回路可以做到高度對(duì)稱，抵消大部分電感，提高控制信號(hào)靈敏度，有利于半導(dǎo)體芯片74的導(dǎo)通/關(guān)斷一致性，有效的降低了損耗，較低的芯片結(jié)溫在使用中更加安全。
【權(quán)利要求】
1.一種智能半導(dǎo)體功率模塊，它主要包括:基體(60)、外殼(18)、功率引出端組件、信號(hào)輸入輸出接口、集成電路載體(15)、半導(dǎo)體芯片(74)，其特征在于:有六組功率引出端組件(21)與十組信號(hào)輸入輸出接口( 112-122)用于搭建智能功率電路系統(tǒng)，安裝有可替換電子元器件(16)的集成電路載體(15)通過(guò)焊接在襯板(64)上的連結(jié)插件(14)固定在襯板(64)上；所述集成電路載體(15)上的信號(hào)輸入輸出端(17)從豎直方向穿過(guò)信號(hào)輸入輸出接口(112-122)與外殼(18)的連結(jié)； 所述基體(60)在第一主體面(61)上具有功率引出端組件(21)以及用于承載半導(dǎo)體芯片(74)的襯板(64)，并且在其對(duì)置的第二主體面(65)下具有用于將熱量傳遞到冷卻結(jié)構(gòu)上的散熱層(57)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的半導(dǎo)體芯片(74)至少包括下面多種芯片的組合之一:整流管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、雙極晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管；所述集成電路載體(15 )上的快速接口( 85 )與連結(jié)插針(14 )通過(guò)自動(dòng)焊接進(jìn)行電氣連結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述襯板(64)由中間的絕緣陶瓷層(67)和上下兩層導(dǎo)熱金屬材料層(63)組成，其中所述絕緣陶瓷層(67)的材料選自剛玉氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷中的一種；所述散熱層(57)由環(huán)氧化物、相變材料、膏和凝膠中的一種材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的基體(60)與襯板(64)之間采用真空回流焊接方式融接有金屬層(104);所述襯板(64)上通過(guò)真空回流焊接方式焊連有半導(dǎo)體芯片(74)，并且所述焊接形成的焊接層(77)材料包括固定銅合金和液態(tài)銀合金中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片(74)與芯片之間、芯片上表面(76)與襯板(64)之間采用鋁材或者銅材鍵合的方式實(shí)現(xiàn)電氣連接；其中的鍵合線材料選之硅鋁線、純退火鋁線、純鋁線排、純退火銅線、純銅線排中的一種。
【文檔編號(hào)】H01L23/31GK203775045SQ201420045507
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)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(qián)峰 申請(qǐng)人:嘉興斯達(dá)微電子有限公司