CN102082132A - 一种大功率半导体模块结构及其封装 - Google Patents

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Abstract

当今，功率半导体模块特别是具有双管结构的大功率单相半桥快恢复二极管半导体模块，被用在许多功率电子电路中，尤其是在焊机、电镀电源以及变频器等电路中。本发明提供一种功率半导体模块的结构和封装设计，它包括导热底板、螺母、外壳、半导体晶元、螺钉、应力缓冲件、金属片以及焊锡片。其中，导热底板为模块封装的基体，整个模块用焊锡片焊接在一起，用封装胶将外壳与导热底板粘结在一起，再用封装树脂将模块的内部结构封起来，导热底板上的螺钉起到将灌封树脂辅助固定在导热底板上的作用。在本发明提供的功率半导体模块中设有应力缓冲结构，导热底板上有半导体晶元定位结构和外壳定位结构，外壳上有定位结构与导热底板相应的外壳定位结构相匹配。

Description

一种大功率半导体模块结构及其封装
技术领域
本发明涉及电力(功率)电子学领域，并且更具体地涉及根据权利要求1的前序部分的半导体模块。
背景技术
功率半导体模块或称电力电子模块是为工作在相对较高的电压(例如，大于100伏)或者相对较高的电流(例如，大于10安)的电路设计的。功率半导体模块至少包括功率半导体晶元，用于进行电流的切换、调节或者整流。功率半导体模块的种类至少包括可控硅整流器(SCR)、功率调节器、功率晶体管、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、功率整流器、快恢复二极管、肖特基二极管、或者任何其它的功率半导体元件。
当今，功率半导体模块，特别是具有双管结构的大功率单相半桥快恢复二极管半导体模块，被用在许多功率电子电路，尤其是逆变电焊机、电镀电源以及变频器等电路中。这种类型的功率半导体模块包含例如由塑料制造的壳体。所述塑料由例如环氧树酯等可硬化铸造的复合物组成，这意味着热固性的塑料被选择用于此目的。功率半导体模块一般还包含基板，其中上面提到的大功率半导体晶元被放置在所述基板与所述壳体相配合的表面上。所述大功率半导体晶元以及放置在所述基板与所述壳体相配合一侧表面的连接部件被封装在所述环氧树酯的壳体中。其中所述大功率半导体晶元通过所述连接部件与外露的大功率半导体模块管脚或端子相连，所述管脚或端子可与外部应用电路相连。
然而，大功率半导体模块内部的半导体晶元在使用过程中都会将一部分电能转化为热能(热损耗)，导致模块整体温度升高，在停止使用后模块温度会降低，这种模块温度的升高和降低构成模块使用过程中的工作温度循环。模块温度升高时导致模块各部件膨胀，模块温度降低时模块各部件收缩，这种热胀冷缩对半导体晶元、壳体、封装树酯、焊锡层及其它部件产生不希望的应力，其可能导致所述半导体晶元、壳体、封装树酯、焊锡材料的开裂或剥离，这意味着所述大功率半导体模块内部各部件本身或之间的连接被损坏或者破坏。如果所述功率半导体模块被用在苛刻的环境中，即如果其受到摇动、振动等形式的高加速力，可加剧上面提到的开裂或剥离，导致诸如壳体脱落、封装树酯开裂或脱落、焊锡层开裂或剥离、半导体晶元开裂等严重后果。当这些情况发生后，所述功率半导体模块可能不再工作或者至少不再可靠地工作。造成所述严重后果的原因包括所述壳体与所述基板之间连接不可靠、封装树酯与所述基板之间连接不可靠、所述功率半导体模块内部没有应力缓冲结构或应力缓冲结构不能有效缓解应力对所述模块内部各部件的损伤。
在JP 10-233472中示出了具有减小这种危险的构件的半导体装置。该外壳具有侧壁并且它在侧壁的一侧被其上布置了半导体芯片的基板所封闭而在相对侧上带有盖子。在外壳中，灌入电绝缘硅凝胶填充物，从而覆盖芯片。盖子与封装树酯一起从顶部密封外壳。通常，与半导体晶元电连接的电端子被焊接在基板上。该端子通过凝胶、硬化的树酯和盖子从基板引出。对于制造而言，凝胶在室温下被填充到外壳中并且在提高的温度(通常大约125℃)下被固化。在凝胶填充物上，封装树酯被填充并且被固化。封装树酯也在提高的温度下(通常也在125℃下)被固化。在工作过程中，凝胶在填充树酯中受热时热膨胀，并且它在模块冷却下来时收缩。由于凝胶与树酯直接接触，凝胶的热胀冷缩会对封装树酯产生应力，导致封装树酯出现裂缝。这些裂缝可能导致封装树酯不能有效保护模块内部结构，从而损伤甚至毁坏模块。
在DE 19630173C2中公开了一种具有至少一个中心孔，用于实现与冷却体螺钉连接的功率半导体模块。此孔与电路板背对功率半导体模块一侧上设置的、并且在此侧面上平放的、形状固定的压块一起用于模块的压力接触。这种压力接触同时满足两项任务：一方面实现连接件与电路板可靠的电接触，另一方面实现模块与冷却体的热接触，这里两个接触都是可逆的。其中功率半导体模块与电路板之间的连接由焊脚实现。这些焊脚被用作功率半导体元件在功率模块内部与电路板上的导电条之间电气连接的控制连接件和负载连接件。其结构的缺点在于，当模块在恶劣的条件下工作时，单纯的焊接和胶粘具有解体的危险。
发明内容
本发明提供一种功率半导体模块，它包括导热底板、螺母、外壳、半导体晶元、螺钉、应力缓冲结构、金属片以及焊锡片。其中，导热底板为模块封装的基体，整个模块用焊锡片焊接在一起，外壳通过封装胶与导热底板粘结在一起，再用封装树酯将模块的内部结构封起来，导热底板上的螺钉起到将灌封树酯辅助固定在导热底板上的作用。在本发明提供的功率半导体模块中设有应力缓冲结构，导热底板上有半导体晶元定位结构和外壳定位结构，外壳上有与导热底板相对应的定位结构。其中，所述应力缓冲结构优选为U形铜片，用于缓解元件在使用过程中产生的热应力和机械应力对所述半导体晶元的冲击；所述半导体晶元定位结构为矩形凹坑，优选为方形，能使金属片、半导体晶元及其以上各部分准确地焊接在凹坑确定的位置。所述半导体晶元定位结构同时能确保金属片与导热底板之间有一定的焊锡厚度，从而有效地缓解模块工作过程中产生的热应力对半导体晶元的伤害；所述外壳定位结构为外壳定位孔，主要用于外壳的定位；所述外壳上与导热底板相应的定位结构为外壳上的定位柱，用于在装配时插入导热底板上的定位孔。
附图说明
图1为功率半导体模块的外形图
图2为功率半导体模块的内部结构图
图3为功率半导体模块的导热底板结构图
图4为功率半导体模块的外壳图
具体实施方式
下面参见各附图，附图中类似的数字表示相同或相应的部件，图1是模块封装好以后的外形图，图2是构成本发明主题大功率半导体模块的优选实施方式1。利用常规方法，让模块内部按照导热底板1、焊锡片7、金属片8、焊锡片9、半导体晶元5、焊锡片10、金属片11、焊锡片12、应力缓冲U形铜片4、焊锡片13、螺母2顺次连接。其中，导热底板1为模块封装的基体，整个模块用焊锡片7、8、10、12、13焊接在一起。其中，螺母2为与外电路连接的管脚，金属片用于保护晶元，并形成导热导电通路。
将外壳3通过封装胶与导热底板按图1粘结在一起，再用封装树酯将模块的内部结构封起来，导热底板上的螺钉6起到将灌封树酯辅助固定在导热底板上的作用。其中，用封装树酯将模块的内部结构封起来是为了阻止外部环境中的水汽、化学物质等进入模块内部。应力缓冲结构4，优选为U型铜片，这一优选方案缓解了元件在使用过程中产生的热应力和机械应力对晶元5的冲击。
图3是带有半导体晶元定位结构1-1的优选实施方式2。如图2所示，为使金属片8及其以上部分能够准确焊接在导热底板1上，在导热底板1中设置了定位结构1-1，为矩形凹坑，优选为方形。这样，既能使模块的内部结构准确焊接在导热底板1上，同时能够确保金属片8与导热底板1之间有一定的焊锡厚度，从而有效地阻止模块运行时产生的应力传递到半导体晶元5上。
图3还是带有外壳定位结构1-2的实施方式3。在常规的方式中，外壳3与导热底板1是用封装胶连接在一起的，在苛刻的作业环境下会有不希望发生的情况如解体等情况发生。因此，如图3所示，为使外壳3在导热底板1上定位且更好的固定，设置了外壳定位结构1-2，优选为圆形定位孔。同时，如图4所示，为了更好的配合设置在导热底板1上的外壳定位结构1-2进行定位且更好的固定，在外壳上设置了底板定位结构3-1，优选为与圆形定位孔配套的圆形定位柱。
值得注意的是，在导热底板1上设置的外壳定位结构1-2和在外壳3上设置的底板定位结构3-1所采用的圆形孔和圆形柱为本发明的优选实施方式且不限于此，所以任何形状的可实现本功能的替换且包括其产生的有益效果在内，都在本发明的保护范围之内。同理，在导热底板1上设置的模块定位结构1-1和在模块内部结构中使用的应力缓冲结构4所采用的方形凹坑和U型铜片亦为本发明的优选实施方式且不限于此，所以任何形状的可实现本功能的替换且包括其产生的有益效果在内，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率半导体模块结构及其封装，它包括导热底板、与外电路连接的螺母、外壳、半导体晶元、灌封树酯固定螺钉、金属片以及焊锡片。其中，导热底板为模块封装的基体，整个模块用焊锡片焊接在一起，将外壳通过封装胶与导热底板粘结在一起，再用封装树酯将模块的内部结构封起来，用固定装置将灌封树酯固定，，其特征是：模块中设有应力缓冲结构，导热底板上有模块定位结构和外壳定位结构，外壳上有与导热底板相应的底板定位结构。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述应力缓冲结构为U型铜片，用于缓解元件在使用过程中产生的热应力和机械应力对晶元的冲击。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述模块定位结构为矩形凹坑，被设置在所述导热底板面对所述外壳的表面的一部分上，能使金属片及其以上部份准确焊接在凹坑的位置，同时确保金属片与导热底板之间有一定的焊锡厚度，从而有效阻止模块运行时产生的应力传递到半导体晶元上。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述外壳固定结构为外壳定位孔，主要用于外壳的定位。
5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述外壳上与导热底板相应的底板定位结构为外壳上的定位柱，用于在装配时插入导热底板上的定位孔。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述外电路连接的管脚为镀镍铜螺母。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述导热底板为镀镍铜底板。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征是：所述外壳由电绝缘材料尤其是塑料制成。
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