CN103780102A - 一种智能半导体功率模块 - Google Patents

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Abstract

一种智能半导体功率模块，它主要包括：基体、外壳、功率引出端组件、信号输入输出接口、集成电路载体、半导体芯片，有六组功率引出端组件与十组信号输入输出接口用于搭建智能功率电路系统，安装有可替换电子元器件的集成电路载体通过焊接在衬板上的连结插件固定在衬板上；所述集成电路载体上的信号输入输出端从竖直方向穿过信号输入输出接口实现与外壳的连结；所述基体在第一主体面上具有功率引出端组件以及用于承载半导体芯片的衬板，并且在其对置的第二主体面下具有用于将热量传递到冷却结构上的散热层。

Description

一种智能半导体功率模块
技术领域
   本发明涉及的是一种智能半导体功率模块，属于功率模块封装技术领域。
背景技术
   半导体功率模块主要用作整流器(converter)、换流器(inverter)、直流AC/直流DC转换及其他功率转换设备；半导体功率芯片主要以称为“功率半导体模块”的形式而被使用，通常将多个半导体功率芯片安装在功率半导体模块中。
   这些半导体功率模块包括其中导通/截止操作由模块内部控制电路板发出的信号控制的晶体管、具有整流特征的二极管、及其它元件。典型的晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘双栅双极晶体管(IGBT)和双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管。
   如图1所示为与本发明相似的典型半导体功率模块，其引出包括最多4个信号端A和最多3个功率引出端B。有限的引出端限制了单个模块的电路集成度，在搭建多电平系统时连结复杂，成本高，系统不确定性更大。同时传统的功率引出端位置和结构也限制了衬板的利用率，也即降低了单个模块的功率密度。另外，从内部制作工艺上，半导体功率芯片与衬板之间采用固体片状焊料，真空回流焊后定位。衬板与基体采用膏状焊料，真空回流焊后固定。该种连接方式在生产中发现诸多问题，譬如半导体芯片不可控的移位和较大的气孔，以及在衬板与基体回流焊之后的焊料溢出和清洗问题，增加了生产成本，降低了成品率。信号引出线与信号引出端，使用电器焊料焊接固定，这种信号端的连接方式在使用时会出现信号引出端与PCB板焊接传递热量使焊点二次融化而导致模块失效的问题。通常会对驱动和保护电路及使用工况提出相对高的要求。
如图1所示与本发明相似的典型半导体功率模块，当用其组成如图4、5、6的电路结构时，需要多个模块拼凑；同时在外部需要用铜排形成主电路，控制信号则分别由每个模块的信号端A汇聚到外部控制电路的接口上。系统搭建非常复杂，体积庞大，稳定性差。各个模块之间不可避免的存在线路电感电容差异，且散热条件不均匀，整机运行时容错率低，故障率高。
发明内容
   本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种结构简单,体积小,运行稳定性好的智能半导体功率模块。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的智能半导体功率模块，它主要包括：基体、外壳、功率引出端组件、信号输入输出接口、集成电路载体、半导体芯片，有六组功率引出端组件与十组信号输入输出接口用于搭建智能功率电路系统，安装有可替换电子元器件的集成电路载体通过焊接在衬板上的连结插件固定在衬板上；所述集成电路载体上的信号输入输出端从竖直方向穿过信号输入输出接口实现与外壳的连结。
所述基体在第一主体面上具有功率引出端组件以及用于承载半导体芯片的衬板，并且在其对置的第二主体面下具有用于将热量传递到冷却结构上的散热层。
所述的半导体芯片至少包括下面多种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述集成电路载体上的快速接口与连结插针通过自动焊接实现电气连结。
所述衬板由中间的绝缘陶瓷层和上下两层导热金属材料层组成，其中所述绝缘陶瓷层的材料选自刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种；所述散热层由环氧化物、相变材料、膏和凝胶中的一种材料制成。
所述的基体与衬板之间采用真空回流焊接方式融接有金属层；所述衬板上通过真空回流焊接方式焊连有半导体芯片，并且所述焊接形成的焊接层材料包括固定铜合金和液态银合金中的一种。
所述半导体芯片与芯片之间、芯片上表面与衬板之间采用铝材或者铜材键合的方式实现电气连接；其中的键合线材料选之硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排中的一种。
所述半导体芯片上覆盖有凝胶质密封材料，且在凝胶质密封材料中混入有噪声吸收材料。
本发明具有结构简单,体积小,运行稳定性好等特点。
附图说明
图1是现有技术的一种典型旧封装结构示意图。
图2是本发明所述的封装结构示意图。
图3是本发明的剖视图。
图4是一种典型应用电路原理图。
图5是另一种典型应用电路原理图。
图6是又一种典型应用电路原理图。
图1中的标号是：A.信号引出孔；B.功率引出孔；
图2中的标号是：1.半导体功率模块；2~13.沟槽；14.连结插件；15.集成电路载体；16.电子元器件；17.信号输入输出端；18.外壳；21.功率引出端组件；22.功率引出端接触面；31~43.功率引出位置；52.弹性金属环；57.散热层；60.基体；61.基体第一主体面；63.导热金属材料；64.衬板；65.基体第二主体面；67.绝缘陶瓷层；76.半导体芯片表面
77.焊接层；83.输入输出引出端快速接口；85.连结插件快速接口；87.外壳固定平台；95.集成电路金属层；104.金属层；112~122. 信号输入输出接口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:图2、3所示，本发明所述的智能半导体功率模块，它主要包括：基体60、外壳18、功率引出端组件、信号输入输出接口、集成电路载体15、半导体芯片74，有六组功率引出端组件21与10组信号输入输出接口112~122用于搭建包括图4、5、6在内以及其所衍生的智能功率电路系统，安装有可替换电子元器件16的集成电路载体15通过焊接在衬板64上的连结插件14固定在衬板64上；所述集成电路载体15上的信号输入输出端17从竖直方向穿过信号输入输出接口112~122实现与外壳18的连结。
所述基体60在第一主体面61上具有功率引出端组件21以及用于承载半导体芯片74的衬板64，并且在其对置的第二主体面65下具有用于将热量传递到冷却结构上的散热层57。
所述的半导体芯片74至少包括下面多种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述集成电路载体15上的快速接口85与连结插针14通过自动焊接实现电气连结。
所述衬板64由中间的绝缘陶瓷层67和上下两层导热金属材料层63组成，其中所述绝缘陶瓷层67的材料选自刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种；所述散热层57由环氧化物、相变材料、膏和凝胶中的一种材料制成。
所述的基体60与衬板64之间采用真空回流焊接方式融接有金属层104；所述衬板64上通过真空回流焊接方式焊连有半导体芯片74，并且所述焊接形成的焊接层77材料包括固定铜合金和液态银合金中的一种。
所述半导体芯片74与芯片之间、芯片上表面76与衬板64之间采用铝材或者铜材键合的方式实现电气连接；其中的键合线材料选之硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排中的一种。
所述半导体芯片74上覆盖有凝胶质密封材料，且在凝胶质密封材料中混入有噪声吸收材料。
图2所示，本发明的创造性在于：首先，本智能功率模块提供了6个功率引出端组件21，易实现目前较先进的多电平电路及多单元整合。其次，在封装中内嵌了配套的控制电路，且在出厂时经过内部调试，应用更加方便。使用了本发明的新方法能简化外部系统设计，调试简单，整机更加稳定。从功率模块制造上看，减少了零部件数量和人工参与的工序，可以实现全部自动化，降低制造成本，提高成品率。该功率模块的特征是：在复杂电路机构的半导体封装中内嵌了适合该半导体芯片性能的控制电路板，解决了实际应用中多发的控制电路与模块性能不匹配的问题，使用更加方便，整机集成度更高。
本发明的创造性在于，从电路结构上。如图2所示半导体芯片74的控制与反馈信号从衬板64的导热金属材料63上汇聚到连结插件14，连结插件14直接连结到集成电路载体15上。相对于典型的半导体模块封装方式中人工绕线焊接的方法，信号回路可以做到高度对称，抵消大部分电感，提高控制信号灵敏度，有利于半导体芯片74的导通/关断一致性，有效的降低了损耗，较低的芯片结温在使用中更加安全。

Claims (6)

1.一种智能半导体功率模块，它主要包括：基体（60）、外壳（18）、功率引出端组件、信号输入输出接口、集成电路载体（15）、半导体芯片（74），其特征在于：有六组功率引出端组件（21）与十组信号输入输出接口（112-122）用于搭建智能功率电路系统，安装有可替换电子元器件（16）的集成电路载体（15）通过焊接在衬板（64）上的连结插件（14）固定在衬板（64）上；所述集成电路载体（15）上的信号输入输出端（17）从竖直方向穿过信号输入输出接口（112-122）与外壳（18）的连结；
所述基体（60）在第一主体面（61）上具有功率引出端组件（21）以及用于承载半导体芯片（74）的衬板（64），并且在其对置的第二主体面（65）下具有用于将热量传递到冷却结构上的散热层（57）。
2.根据权利要求1所述的智能半导体功率模块，其特征在于所述的半导体芯片（74）至少包括下面多种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述集成电路载体（15）上的快速接口（85）与连结插针（14）通过自动焊接进行电气连结。
3.根据权利要求1所述的智能半导体功率模块，其特征在于所述衬板（64）由中间的绝缘陶瓷层（67）和上下两层导热金属材料层（63）组成，其中所述绝缘陶瓷层（67）的材料选自刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种；所述散热层（57）由环氧化物、相变材料、膏和凝胶中的一种材料制成。
4.根据权利要求1或3所述的智能半导体功率模块，其特征在于所述的基体（60）与衬板（64）之间采用真空回流焊接方式融接有金属层（104）；所述衬板（64）上通过真空回流焊接方式焊连有半导体芯片（74），并且所述焊接形成的焊接层（77）材料包括固定铜合金和液态银合金中的一种。
5.根据权利要求4所述的智能半导体功率模块，其特征在于所述半导体芯片（74）与芯片之间、芯片上表面（76）与衬板（64）之间采用铝材或者铜材键合的方式实现电气连接；其中的键合线材料选之硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排中的一种。
6.根据权利要求5所述的智能半导体功率模块，其特征在于所述半导体芯片（74）上覆盖有凝胶质密封材料，且在凝胶质密封材料中混入有噪声吸收材料。
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