功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種功率模塊，其包括封裝支撐基板以及位于所述封裝支撐基板上的功率半導(dǎo)體芯片組，所述功率半導(dǎo)體芯片組具有一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片，功率半導(dǎo)體芯片組具有三個(gè)連接電極，所述三個(gè)連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極；封裝支撐基板上設(shè)有設(shè)置用于與第一電極電連接的第一連接層、用于與第二電極電連接的第二連接層以及用于與第三電極電連接的第三連接層；功率半導(dǎo)體芯片組的第二電極通過功率金屬連接片與第二連接層電連接，且功率金屬連接片上設(shè)置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，能降低寄生電感，增強(qiáng)過電流能力，降低了熱阻，提高可靠性。
【專利說明】
功率模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種封裝結(jié)構(gòu)，尤其是一種功率模塊，屬于電力電子器件的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于普通的焊接式IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)功率模塊來說，半導(dǎo)體芯片的電氣連接主要是靠鋁線楔焊鍵合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，采用鋁線楔焊鍵合主要是因?yàn)槠涔に嚭?jiǎn)單成熟，成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)。一般地，半導(dǎo)體芯片的柵極通過金屬線與基板表面銅層連接。半導(dǎo)體芯片的發(fā)射極(源極)通過鋁線和基板表面銅層連接。但是由于功率模塊要求其內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片流過較大的電流，而單根鋁線的載流能力比較弱，接觸電阻太大，所以需要在一個(gè)模塊的內(nèi)部半導(dǎo)體芯片上鍵合多根并聯(lián)鋁線，以用于通過較大的電流，而集成化的模塊中通常有多個(gè)半導(dǎo)體芯片組成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣就會(huì)造成模塊內(nèi)部用于過大電流的鋁線有幾十甚至上百根，同時(shí)為了保證半導(dǎo)體芯片表面的電流均衡和開啟一致性，半導(dǎo)體芯片表面的鍵合點(diǎn)必須均勻的分布于半導(dǎo)體芯片表面，所以在大功率模塊封裝鍵合鋁線時(shí)多采用跳線的方式，這樣一根鋁線又會(huì)有多個(gè)鍵合點(diǎn)，過多的鋁線以及更多的鍵合點(diǎn)會(huì)使可靠性降低。
[0003]此外，過多鋁線連接，會(huì)導(dǎo)致鋁線之間的電流不均勻，而電流不均容易導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)的局部過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成半導(dǎo)體芯片以及鋁線的燒熔。同時(shí)，在鋁線內(nèi)通過大電流會(huì)產(chǎn)生較高的電磁場(chǎng)，由于各鋁線之間的間隔小，由所述的高電磁場(chǎng)引起的強(qiáng)機(jī)械力在鋁線之間產(chǎn)生，從而影響鋁線焊接處的可靠性，造成鍵合點(diǎn)薄弱。
[0004]多根鋁線之間還會(huì)產(chǎn)生自感和互感，這種寄生電感會(huì)增加瞬間電壓Vovershoot，當(dāng)瞬間電壓Vovershoot與電源電壓VDD之和大于功率模塊能承受之電壓時(shí)，會(huì)造成功率模塊過電壓擊穿而失效。同時(shí)，每個(gè)鍵合點(diǎn)都是模塊封裝中的薄弱環(huán)節(jié)，只要一個(gè)鍵合點(diǎn)出現(xiàn)彈坑問題即會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊失效，或者其中某個(gè)鍵合點(diǎn)虛焊也會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片表面的電流和溫度分布不均，進(jìn)而影響到模塊的可靠性。
[0005]基于此，人們開發(fā)了鋁帶鍵合，鋁帶鍵合是將半導(dǎo)體芯片的源極通過鋁帶和覆銅陶瓷基板表面銅層連接，這樣雖然能提高過電流能力，同時(shí)提高了設(shè)備的UPH(Units PerHour，每小時(shí)的產(chǎn)量)，但是其設(shè)備改造費(fèi)用昂貴，并且鋁帶的折角范圍小會(huì)限制到半導(dǎo)體芯片和模塊的整體布局，同時(shí)對(duì)回流后的半導(dǎo)體芯片平整度提出了更高的要求。
[0006]為了提高鍵合點(diǎn)可靠性，又開發(fā)了銅引線鍵合技術(shù)、鋁包銅線鍵合技術(shù)，但是引線鍵合工藝無法避免的一個(gè)共同缺點(diǎn)是多根引線并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致鍵合線之間電流分布不均；引線鍵合工藝帶來的寄生電感比較大，會(huì)給器件帶來較高的開關(guān)過電壓。
[0007]另外，公開號(hào)為CN103367305A的文件公開了一種利用導(dǎo)電薄膜并通過銀燒結(jié)與半導(dǎo)體芯片連接來代替鋁線鍵合，以提高過電流能力，降低寄生電感為目的功率模塊。但是這種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是，導(dǎo)電薄膜在操作過程之中容易損壞，并且難以修復(fù)。公開號(hào)為CN101946318的文件揭示的封裝采用兩層覆銅陶瓷基板并通過室溫結(jié)合法分別連接半導(dǎo)體芯片的正反面，以提高電、熱連接性能，但是元件的結(jié)合面需要采用CMP(化學(xué)或機(jī)械拋光)工藝進(jìn)行打磨和平整化處理，增加了工藝步驟和成本，而且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種功率模塊，其結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，能降低寄生電感，增強(qiáng)過電流能力，降低了熱阻，提高可靠性。
[0009]按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述功率模塊，包括封裝支撐基板以及位于所述封裝支撐基板上的功率半導(dǎo)體芯片組，所述功率半導(dǎo)體芯片組具有一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片，功率半導(dǎo)體芯片組具有三個(gè)連接電極，所述三個(gè)連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極;封裝支撐基板上設(shè)有設(shè)置用于與第一電極電連接的第一連接層、用于與第二電極電連接的第二連接層以及用于與第三電極電連接的第三連接層;功率半導(dǎo)體芯片組的第二電極通過功率金屬連接片與第二連接層電連接，且功率金屬連接片上設(shè)置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結(jié)構(gòu)。
[0010]所述功率半導(dǎo)體芯片組固定于第三連接層上，且功率半導(dǎo)體芯片組的第三電極與第三連接層直接接觸后電連接，功率半導(dǎo)體芯片組的第一電極通過信號(hào)金屬連接體與第一連接層電連接，所述信號(hào)金屬連接體呈線狀或片狀。
[0011 ]所述連接躲避結(jié)構(gòu)包括用于躲避柵極總線的躲避凹槽，所述躲避凹槽位于功率金屬連接片鄰近功率半導(dǎo)體芯片組的一側(cè)。
[0012]所述連接躲避結(jié)構(gòu)包括通過躲避凸起形成的躲避弧槽，所述躲避凸起在功率金屬連接片的高度為功率金屬連接片厚度的10%?90%。
[0013]所述功率金屬連接片的端部設(shè)有用于形成高度差的連接過渡體。
[0014]所述功率金屬連接片通過過渡金屬片與功率半導(dǎo)體芯片組的第二電極電連接。
[0015]封裝支撐基板為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板。
[0016]所述功率半導(dǎo)體芯片組的正面具有可釬焊或銀燒結(jié)的正面金屬化層。
[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):通過功率金屬連接片和/或過渡金屬片將功率半導(dǎo)體芯片組的第二電極與第二連接層電連接，功率金屬連接片上設(shè)置躲避結(jié)構(gòu)，避免與半導(dǎo)體芯片的柵極總線接觸，功率金屬連接片、過渡金屬片能夠降低寄生電感，增強(qiáng)過電流能力，降低了熱阻，提高了使用的可靠性，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的一種結(jié)構(gòu)不意圖。
[0019]圖2為本實(shí)用新型的另一種結(jié)構(gòu)不意圖。
[0020]圖3為本實(shí)用新型功率金屬連接片的一種示意圖。
[0021 ]圖4為本實(shí)用新型功率金屬連接片的另一種示意圖。
[0022]附圖標(biāo)記說明:1_封裝支撐基板、2-功率半導(dǎo)體芯片組、3-功率金屬連接片、4-信號(hào)金屬連接體、5-過渡金屬片、6-躲避凸起、7-躲避弧槽、8-連接過渡體、9-躲避凹槽、10-臺(tái)階連接端、11 -第二連接層、12-第一連接層以及13-第三連接層。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0024]如圖1所示:為了增強(qiáng)過電流能力，降低熱阻，提高可靠性，本實(shí)用新型包括封裝支撐基板I以及位于所述封裝支撐基板I上的功率半導(dǎo)體芯片組2，所述功率半導(dǎo)體芯片組2具有一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片，功率半導(dǎo)體芯片組2具有三個(gè)連接電極，所述三個(gè)連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極;封裝支撐基板I上設(shè)有設(shè)置用于與第一電極電連接的第一連接層12、用于與第二電極電連接的第二連接層11以及用于與第三電極電連接的第三連接層13;功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極通過功率金屬連接片3與第二連接層11電連接，且功率金屬連接片3上設(shè)置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結(jié)構(gòu)。
[0025]具體地，封裝支撐基板I為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板，第二連接層11、第一連接層12以及第三連接層13同在封裝支撐基板I的同一側(cè)表面，第二連接層11、第一連接層12以及第三連接層13間相互絕緣隔離，封裝支撐基板I以及封裝支撐基板I上第二連接層11、第一連接層12、第三連接層13的具體結(jié)構(gòu)以及分布均為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。
[0026]當(dāng)功率半導(dǎo)體芯片組2內(nèi)的功率半導(dǎo)體芯片為MOSFET時(shí)，所述功率半導(dǎo)體芯片組2的第一電極為MOSFET的柵極，第二電極為MOSFET的源極，第三電極為MOSFET的漏極。
[0027]當(dāng)功率半導(dǎo)體芯片組2內(nèi)的功率半導(dǎo)體芯片為IGBT時(shí)，所述功率半導(dǎo)體芯片組2的第一電極為IGBT的門極，第二電極為IGBT的發(fā)射極，第三電極為IGBT的集電極。
[0028]所述功率半導(dǎo)體芯片組2與封裝支撐基板I上各電極連接層的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行確定，具體為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。功率金屬連接片3呈一體的片狀結(jié)構(gòu)，功率金屬連接片3的一端與功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極固定連接，功率金屬連接片3的另一端與第二連接層11焊接固定。本實(shí)用新型實(shí)施例中，通過一個(gè)片狀的功率金屬連接片3能夠滿足過流能力，且能避免現(xiàn)有多根并聯(lián)鋁線帶來的寄生電感等問題。
[0029]所述功率半導(dǎo)體芯片組2直接固定于第三連接層13上，且功率半導(dǎo)體芯片組2的第三電極與第三連接層13電連接，功率半導(dǎo)體芯片組2的第一電極通過信號(hào)金屬連接體4與信號(hào)端連接層12電連接，所述信號(hào)金屬連接體4呈線狀或片狀。
[0030]本實(shí)用新型實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體芯片組2位于第三連接層13上，功率半導(dǎo)體芯片組2的背面通過焊料焊接在第三連接層13上，從而實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片組2的第三電極與第三連接層13間連接，即能實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片組2的第三電極與第三連接層13之間的電連接。具體實(shí)施時(shí)，功率金屬連接片3的一端通過焊料與功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極焊接固定，功率金屬連接片3的另一端通過焊料與第二連接層11焊接固定。信號(hào)金屬連接體4呈線狀或片狀，當(dāng)信號(hào)金屬連接體4采用線狀結(jié)構(gòu)時(shí)，與現(xiàn)有方式相同，當(dāng)信號(hào)金屬連接體4采用片狀時(shí)，能進(jìn)一步提高功率半導(dǎo)體芯片組2的第一電極與第一連接層12的可靠性。信號(hào)金屬連接體4的兩端分別與功率半導(dǎo)體芯片組2的第一電極、第一連接層12焊接固定，上述焊料通常是焊膏或預(yù)成型焊片采用真空回流焊工藝，具體過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再詳述。
[0031]為了避免功率半導(dǎo)體芯片組2正面的柵極總線與功率金屬連接片3的接觸，根據(jù)功率半導(dǎo)體芯片組2正面柵極總線的分布，在功率金屬連接片3上設(shè)置連接躲避結(jié)構(gòu)。
[0032]如圖3所示，為功率金屬連接片3的一種具體形式，在功率金屬連接片3上具有兩個(gè)躲避凸起6，所述躲避凸起6的方向?yàn)檫h(yuǎn)離功率半導(dǎo)體芯片組2正面的方向，躲避凸起6呈拱形，從而在躲避凸起6的下方形成躲避弧槽7，所述躲避凸起6在功率金屬連接片3的高度為功率金屬連接片3厚度的10%?90%。圖3中示出了具有兩個(gè)躲避弧槽7的狀態(tài)，通過躲避弧槽7能避免功率金屬連接片3與柵極總線的接觸。
[0033]圖4為功率金屬連接片3的另一種形式，功率金屬連接片3鄰近功率半導(dǎo)體芯片組2正面的一側(cè)設(shè)置躲避凹槽9，所述躲避凹槽9沿功率金屬連接片3的寬度分布，功率金屬連接片3上躲避凹槽9的位置以及數(shù)量與功率半導(dǎo)體芯片組2上柵極總線的分布相關(guān)，以能避免功率金屬連接片3與柵極總線接觸即可。
[0034]具體實(shí)施時(shí)，由于功率金屬連接片3的一端與功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極焊接固定，另一端直接與第二連接層11焊接，造成功率金屬連接片3兩端的焊接面高度不在同一水平面，為了保證焊接面充分接觸，在功率金屬連接片3的一端設(shè)置連接過渡體8，通過連接過渡體8能在功率金屬連接體3的端部形成臺(tái)階連接端1，即通過臺(tái)階連接端10形成的高度差補(bǔ)償焊接面高度不一致。此外，為了便于釬焊或銀燒結(jié)，在功率半導(dǎo)體芯片組2正面具有正面金屬化層，所述正面金屬化層采用可釬焊或銀燒結(jié)的材料，如TiNiAg，具體的材料以及過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。功率金屬連接片3需要流過大電流，因此，功率金屬連接片3需要選用具有良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能的材料，如銅等，功率金屬連接片3的表面可鍍鎳、銀、金或錫層，功率金屬連接片3的寬度以及厚度等均具體根據(jù)需要進(jìn)行確定，為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。
[0035]如圖2所示，所述功率金屬連接片3通過過渡金屬片5與功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極電連接。
[0036]具體實(shí)施時(shí)，功率金屬連接片3選用銅時(shí)，銅的熱膨脹系數(shù)(17ppm/K)，與半導(dǎo)體芯片材料(例如硅或者碳化硅)兩者之間熱膨脹系數(shù)的巨大差異，會(huì)引起功率半導(dǎo)體芯片組2與功率金屬連接片3之間的焊料層承受較大的熱應(yīng)力，焊料層容易產(chǎn)生疲勞裂紋，影響模塊使用壽命，對(duì)于功率等級(jí)較大或半導(dǎo)體芯片尺寸較大的模塊，這種現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)的更加明顯。為提高這類模塊的抗疲勞性能，可以采用在功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極和功率金屬連接片3的之間加上一層過渡金屬片5的方式，過渡金屬片5可選用鉬、銅鉬、銅鎢合金，表面鍍鎳、鎳銀等可釬焊材料。鉬、銅鉬、銅鎢等金屬或合金的熱膨脹系數(shù)(5-8ppm/K)，可以減小焊料層熱應(yīng)力以提高模塊抗疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)可靠性。
[0037]本實(shí)用新型實(shí)施例中，焊接過渡金屬片5和功率金屬連接片3時(shí)，可以先將過渡金屬片5背面焊接到功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極上，再在過渡金屬片5正面焊接功率金屬連接片3，即功率金屬連接片3通過過渡金屬片5與功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極電連接。此外，也可以先將過渡金屬片5和功率金屬連接片3預(yù)先焊接成一個(gè)整體，而后整體焊接到功率半導(dǎo)體芯片組2的第二電極上。具體實(shí)施時(shí)，功率金屬連接片3上也具有躲避結(jié)構(gòu)，所述躲避結(jié)構(gòu)的具體形式可參考上述的說明，此處不再贅述。
[0038]與用多根金屬引線并聯(lián)的方式相比，引線與功率半導(dǎo)體芯片組2的接觸面積僅占功率半導(dǎo)體芯片組2表面積的20%左右，而用過渡金屬片5和功率金屬連接片3焊接或直接用功率金屬連接片3的連接方式，與功率半導(dǎo)體芯片組2表面的接觸面積卻可以達(dá)到50%以上，降低了接觸電阻、熱阻和寄生電感，提高了模塊過電流能力，增強(qiáng)了模塊的可靠性。
[0039]本實(shí)用新型已經(jīng)圖解并描述了本實(shí)用新型的特定實(shí)施例，但本實(shí)用新型要求保護(hù)的權(quán)利范圍并不限于此，利用了本實(shí)用新型的基本概念，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行的各種變形以及改善，仍屬于本實(shí)用新型請(qǐng)求的權(quán)利范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率模塊，包括封裝支撐基板(I)以及位于所述封裝支撐基板(I)上的功率半導(dǎo)體芯片組(2)，所述功率半導(dǎo)體芯片組(2)具有一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片，功率半導(dǎo)體芯片組(2)具有三個(gè)連接電極，所述三個(gè)連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極；封裝支撐基板(I)上設(shè)有設(shè)置用于與第一電極電連接的第一連接層(12)、用于與第二電極電連接的第二連接層(11)以及用于與第三電極電連接的第三連接層(13);其特征是:功率半導(dǎo)體芯片組(2)的第二電極通過功率金屬連接片(3)與第二連接層(11)電連接，且功率金屬連接片(3)上設(shè)置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率半導(dǎo)體芯片組(2)固定于第三連接層(13 )上，且功率半導(dǎo)體芯片組(2 )的第三電極與第三連接層(13 )直接接觸后電連接，功率半導(dǎo)體芯片組(2)的第一電極通過信號(hào)金屬連接體(4)與第一連接層(12)電連接，所述信號(hào)金屬連接體(4)呈線狀或片狀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述連接躲避結(jié)構(gòu)包括用于躲避柵極總線的躲避凹槽(9)，所述躲避凹槽(9)位于功率金屬連接片(3)鄰近功率半導(dǎo)體芯片組(2)的一側(cè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述連接躲避結(jié)構(gòu)包括通過躲避凸起(6)形成的躲避弧槽(7)，所述躲避凸起(6)在功率金屬連接片(3)的高度為功率金屬連接片(3)厚度的10%?90%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率金屬連接片(3)的端部設(shè)有用于形成高度差的連接過渡體(8)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率金屬連接片(3)通過過渡金屬片(5)與功率半導(dǎo)體芯片組(2)的第二電極電連接。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:封裝支撐基板(I)為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率半導(dǎo)體芯片組(2)的正面具有可釬焊或銀燒結(jié)的正面金屬化層。
【文檔編號(hào)】H01L23/492GK205542761SQ201620306528
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】朱袁正, 余傳武
【申請(qǐng)人】無錫新潔能股份有限公司