CN103871987A - 功率模块封装 - Google Patents

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俞度在
金泰贤
金洸洙
蔡埈锡
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Abstract

公开了一种功率模块封装，该功率模块封装包括：衬底；安装在衬底的一个表面上的半导体芯片；连接到衬底的一个表面的外部连接端子；以及一端接触半导体芯片、另一端接触外部连接端子的连接件，该连接件电连接和机械连接在外部连接端子与半导体芯片之间。

Description

功率模块封装
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月14日向韩国知识产权局提交的、发明名称为“Power Module Package”的韩国专利申请No.10-2012-0146345的权益，其公开的内容通过引用的方式被合并于此。
技术领域
本发明涉及功率模块封装。
背景技术
近来，随着功率电子产业的发展，电子产品已经被小型化并且增加了密度。因此，除了减小电子元件本身的尺寸的方法以外，在预定空间中安装尽可能多的元件和布线的方法已经成为设计功率模块封装时的重要挑战。
同时，根据现有技术的功率模块封装的结构已经在美国专利No.5920119中公开。
发明内容
本发明致力于提供一种功率模块封装，该功率模块封装能够通过简化外部连接端子与半导体芯片之间的电连接过程来缩短处理时间并通过执行各种键合工艺来改善可靠性。
此外，本发明致力于提供一种功率模块封装，该功率模块封装能够因结构简单而易于执行处理和批量生产并且能够有效地辐射从半导体芯片产生的热量。
根据本发明的优选实施方式，提供一种功率模块封装，该功率模块封装包括：衬底；安装在衬底的一个表面上的半导体芯片；连接到衬底的一个表面上的外部连接端子；以及一端接触半导体芯片、另一端接触外部连接端子的连接件，该连接件电气并机械地连接在半导体芯片与外部连接端子之间。
外部连接端子可以具有一端和另一端，并且所述功率模块封装可以进一步包括形成在衬底的一个表面上的紧固单元，外部连接端子的一端被插入固定到该紧固单元中。
功率模块封装还可以包括形成在衬底上的外壳，该外壳遮盖衬底的一个表面和半导体芯片并将外部连接端子的另一端暴露到外面。
功率模块封装还可以包括密封件，该密封件被形成以用于将衬底的一个表面和半导体芯片封于外壳内。
半导体芯片可以是功率元件。
连接件的另一端与外部连接端子可以一体成形并彼此接触。
连接件的另一端与外部连接端子可以单独形成并彼此接触。
连接件的另一端可以被提供有插孔，该插孔的形状与外部连接端子的厚度方向上的截面相对应，外部连接端子可以具有一端和另一端，并且外部连接端子的一端可以穿过插孔以便连接件的另一端与外部连接端子互相接触。
所述插孔可以具有形成在所述插孔的内壁中的卡槽（catching groove），并且与该卡槽相对应的卡槽突出部（catching protrusion）可以形成在外部连接端子的与插孔相对应位置处的外壁上。
功率模块封装还可以包括键合件，该键合件形成在连接件的插孔与外部连接端子彼此接触的部分处。
连接件可以是引线架。
根据本发明的另一优选实施方式，提供一种功率模块封装，包括：衬底；安装在衬底的一个表面上的半导体芯片；连接到衬底的一个表面上的外部连接端子；以及一端接触半导体芯片、另一端与外部连接端子一体成形或单独形成并彼此接触的连接件，该连接件电连接或机械连接在外部连接端子与半导体芯片之间。
附图说明
根据下面结合附图的详细描述，将能够更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装的结构的剖面图；
图2是示出根据本发明第二优选实施方式的功率模块封装的结构的剖面图；以及
图3和图4是示出根据本发明第二优选实施方式的功率模块封装中的外部连接端子和连接件的紧固结构的剖面图。
具体实施方式
通过以下结合附图对优选实施方式的详细描述，本发明的目的、特征和优势将被更加清楚地理解。在附图中，相同的附图标记用于指定相同或类似的组件，且省略了其中多余的描述。进一步地，在以下描述中，术语“第一”、“第二”、“一侧”、“另一侧”等用于将某个组件与其他组件相区分，但此类组件的配置不应被解释为受到这些术语的限制。进一步地，在本发明的描述中，当确定了现有技术的详细描述将使本发明的主旨模糊时，将省略对它们的描述。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。
第一优选实施方式
图1为示出根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装的结构的剖面图。
参考图1，根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装100可以包括：衬底110；安装在衬底110的一个表面上的半导体芯片120a和120b；连接到衬底110的一个表面的外部连接端子130a和130b；以及一端接触半导体芯片120a和120b、另一端接触外部连接端子130a和130b并且电连接和机械连接在半导体芯片120a和120b与外部连接端子130a和130b之间的连接件140a和140b。
在本发明的第一优选实施方式中，衬底110可以包括绝缘材料111、形成在绝缘材料111的一个表面上的电路层113和形成在绝缘材料111的另一表面上的金属层115。
在这种情况下，绝缘材料111可以是陶瓷，但并不特别限制于此。
在本发明的第一优选实施方式中，衬底110具有一个表面和另一表面。在这种情况下，一个表面可以意指图1中半导体芯片120a和120b安装于其上的表面，也就是说，包括芯片安装焊盘113a和外部连接焊盘113b的电路层113被形成于其上的表面，而另一表面则意指与上述一个表面对立的表面，即在其上形成金属层115的表面。
虽然本发明的第一优选实施方式将包括绝缘材料111、电路层113和金属层115的直接键合铜（DBC）衬底示为衬底110，如图1所示，但本发明并不特别局限于此。例如，可以使用具有阳极氧化层、印刷电路板的金属衬底，陶瓷衬底，包括金属板和绝缘层电路图案的衬底等。
在图1所示的本发明的第一优选实施方式中，具有电连接在外部驱动IC与半导体芯片120a和120b之间以驱动安装在衬底110上的半导体芯片120a和120b的配置的外部连接端子130a和130b可以被形成为引脚的形式，但本发明并不特别局限于此。
此外，根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装100还可包括形成在衬底110的一个表面上的紧固单元150，外部连接端子130a和130b的一端被插入固定到该紧固单元中。
在该情况中，如图1所示，可以将键合层123形成在紧固单元150与外部连接件113b之间。这里，为了有效地散热，键合层123可以由具有相对高热传导性的焊料或导热环氧树脂制成，但本发明并不特别局限于此。
此外，根据本发明第一优选实施方式的紧固单元150可以由导热材料（conductive material）形成，但本发明并不特别局限于此。
此外，根据本发明第一优选实施方式的半导体芯片120a和120b可以是功率元件，该功率元件可以包括可控硅整流器（SCR）、功率晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体（MOS）晶体管、功率整流器、功率调节器、逆变器、转换器或包括它们的组合的高功率半导体芯片或二极管。
根据本发明的第一优选实施方式，键合层123可以形成在半导体芯片120a和120b与芯片安装焊盘113a之间，其中键合层123可以由具有相对高热传导性的焊料或导热环氧树脂制成，但本发明并不特别局限于此。
根据本发明第一优选实施方式的连接件140a和140b用于电连接和机械连接在外部连接端子130a和130b与半导体芯片120a和120b之间并具有一端和另一端，其中所述一端可以接触半导体芯片120a和120b并且所述另一端可以接触外部连接端子130a和130b。
在这种情况下，根据本发明第一优选实施方式的连接件140a和140b的所述另一端可以与外部连接端子130a和130b一体成形并彼此接触。
也就是说，如图1所示，连接件140a和140b的所述另一端与具有引脚形式的外部连接端子130a和130b一体成形。这样，外部连接端子130a和130b与连接件140a和140b被一体成形的结构可通过使用具有与该结构相对应的形状的模子的铸模工艺来形成，但本发明并不特别局限于此。
此外，根据本发明第一优选实施方式的连接件140a和140b的一端可以被键合到半导体芯片120a和120b的电极（未示出）。在这种情况下，可以通过使用焊料、应用导热性环氧树脂或超声键合工艺来执行键合，但本发明并不特别局限于此。
这样，外部连接端子130a和130b与连接件140a和140b一体成形，当外部连接端子130a和130b被插入紧固到形成在衬底110上的紧固单元150中时，与外部连接端子130a和130b一体成形的连接件140a和140b的所述另一端同时接触半导体芯片120a和120b的电极（未示出），以便可以同时执行外部连接端子130a和130b的紧固以及外部连接端子130a和130b与半导体芯片120a和120b之间的连接。
这样，不需要在外部连接端子130a和130b与半导体芯片120a和120b之间进行电连接的单独布线键合工艺，从而不存在对布线键合的余隙限制（clearance limitation），该工艺是容易的并且该工艺变得简单，因此可缩短总工艺时间。
根据本发明第一优选实施方式的连接件140a和140b可以是引线架，但本发明并不特别局限于此。
这样，根据本发明的第一优选实施方式，其面积比布线更大的引线架被用作将外部连接端子130a和130b连接到半导体芯片120a和120b的连接件140a和140b，以致键合到半导体芯片120a和120b的部分变宽，这使得可有效地散发由半导体芯片120a和120b产生的热量。此外，由于可以执行各种键合工艺，例如超声键合、焊接等，所以在键合界面处产生破裂的风险被降低了，这使得能够改善产品的可靠性。
同时，尽管图1示出了各个半导体芯片120a和120b在其中通过布线121连接的外壳，但本发明并不特别局限于此。而且，可以使用引线架、金属带等来替代布线。
此外，根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装100还可以包括形成在衬底110上的外壳170，该外壳用于遮盖衬底110的一个表面和半导体芯片120a和120b并用于将外部连接端子130a和130b的另一端暴露到外面，如图1所示。
在这种情况中，外壳170可以被提供有开口部分170a，用于将铸模材料注入到外壳170中。
进一步地，根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装100还可以包括被形成以用于将衬底110的一个表面、衬底芯片120a和120b、电连接在半导体芯片120a和120b之间的布线121、电连接在半导体芯片120a和120b与外部连接端子130a和130b之间的连接件140a和140b封于外壳170中的的密封件160。
在这种情况中，可以将硅凝胶、环氧树脂模塑料（EMC）等用作密封件160。然而，密封件160不特别限制于此。
此外，尽管未在图中示出，但是根据根据本发明第一优选实施方式的功率模块封装100还可以包括键合到衬底110的另一表面上的散热片，即，金属层115的裸露表面。
该散热片可以包括多个散辐射引脚，以将从半导体芯片120a和120b产生的热量辐射到大气中。
此外，散热片通常由铜（Cu）材料或锡（Sn）材料制成或者通过涂覆铜（Cu）材料或锡（Sn）材料来形成，但本发明并不特别局限于此。原因是，铜（Cu）材料或锡（Sn）材料能够非常好地传热并且便于散热片与衬底之间的键合。
第二优选实施方式
图2是示出根据本发明第二优选实施方式的功率模块封装的结构的剖面图；以及图3和图4是示出根据本发明第二优选实施方式的功率模块封装中外部连接端子与连接件的键合部分的剖面图。
在本发明的第二优选实施方式中，将省略对与在上述第一优选实施方式中描述的部件相重叠的的部件的描述。此外，相同的参考标号将被用于描述与在第一优选实施方式中描述的部件相同的部件。
参考图2，根据本发明第二优选实施方式的功率模块封装200可以包括衬底110、半导体芯片120a和120b、外部连接端子130a和130b以及电连接和机械连接在外部连接端子130a和130b与半导体芯片120a和120b之间的连接件240a和240b，与根据上述本发明第一优选实施方式的功率模块封装100相类似。
不同于上述本发明的第一优选实施方式，根据本发明第二优选实施方式的外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b可以单独形成。
也就是说，外部连接端子130a和130b及连接件240a和240b被分别制造为单独的结构，并且所制造的外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b之后通过单独的紧固工艺进行连接。
根据本发明第二优选实施方式的外部连接端子130a和130b和连接件240a和240b可通过形成外部连接端子130a和130b在连接件240a和240b的另一端处被插入其中的插孔241并将外部连接端子130a和130b插入插孔241中而彼此连接，如图3和4所示。
具体地说，外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b可通过在接触外部连接端子130a和130b的连接件240a和240b的另一端处形成其形状与外部连接端子130a和130b的厚度方向上的剖面相对应的插孔241并将外部连接端子130a和130b的一端穿过所形成的插孔241而彼此连接，如图3所示。
在这种情况中，连接件240a和240b的插孔241的内壁可以被提供有卡槽243，并且外部连接端子130a和130b中与插孔241相对应位置处的外壁上被提供有与卡槽243相对应的卡槽突出部131。
因此，当外部连接端子130a和130b的一端通过穿过连接件240a和240b的插孔241而被插入固定到紧固单元150中时，形成在外部连接端子130a和130b的外壁上的卡槽突出部131就被扣合在形成在连接件240a和240b的插槽241的内壁中的卡槽243中，从而可以固定外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b之间的连接部分。
在这种情况中，为使得外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b之间的连接部分更坚固，可在对应部分再提供键合件（未示出）。
同时，在卡槽突出部131和卡槽243没有如上面描述的那样被分别形成在外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b处的情况中，外部连接端子130a和130b的每一端都通过穿过连接件240a和240b的插孔241而被插入紧固到紧固单元150中，并且外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b的插孔241之间的连接部分可被进一步提供有键合件300以便可靠地电连接和机械连接在外部连接端子130a和130b与连接件240a和240b的插孔241之间，如图4所示。
在这种情况中，键合件300可使用焊料、采用导电性环氧树脂或者超声键合工艺来形成，但本发明并不特别局限于此。
根据本发明的优选实施方式，由于外部连接端子和连接在外部连接端子与半导体芯片之间的连接件一体成形，所以不需要在外部连接端子与半导体芯片之间进行电连接的单独布线键合工艺，从而不存在对布线键合的余隙限制并且工艺变得简化，从而能够缩短总工艺时间。
此外，根据本发明的优选实施方式，比布线更宽的引线架被用作连接在外部连接端子与半导体芯片之间的连接件，从而增加了键合半导体芯片的面积，使得能够有效地辐射从半导体芯片产生的热量。
虽然已经出于说明的目的公开了本发明的实施方式，但是应当理解的是，本发明并不局限于此，并且本领域技术人员将意识到在不背离本发明的范围和思想的情况下可以进行各种修改、增加和替换。
因此，任何及所有修改、变化或等同配置应当认为是位于本发明的范围内，且本发明的具体范围将由所附权利要求书公开。

Claims (12)

1.一种功率模块封装，包括：
衬底；
安装在所述衬底的一个表面上的半导体芯片；
连接到所述衬底的一个表面的外部连接端子；以及
一端接触所述半导体芯片、另一端接触所述外部连接端子的连接件，该连接件电连接和机械连接在所述半导体芯片与所述外部连接端子之间。
2.根据权利要求1所述的功率模块封装，其中，所述外部连接端子具有一端和另一端，并且
所述功率模块封装进一步包括形成在所述衬底的一个表面上的紧固单元，所述外部连接端子的一端被插入紧固到所述紧固单元中。
3.根据权利要求2所述的功率模块封装，该功率模块封装还包括形成在所述衬底上的外壳，该外壳用于遮盖所述衬底的一个表面和所述半导体芯片并将所述外部连接端子的另一端暴露到外面。
4.根据权利要求3所述的功率模块封装，该功率模块封装还包括密封件，该密封件被形成以用于将所述衬底的一个表面和所述半导体芯片封于所述外壳内。
5.根据权利要求1所述的功率模块封装，所述半导体芯片是功率元件。
6.根据权利要求1所述的功率模块封装，其中，所述连接件的所述另一端和所述外部连接端子一体成形并彼此接触。
7.根据权利要求1所述的功率模块封装，其中，所述连接件的所述另一端和所述外部连接端子被单独形成并彼此接触。
8.根据权利要求7所述的功率模块封装，其中，所述连接件的所述另一端被提供有插孔，该插孔的形状与所述外部连接端子的厚度方向上的剖面相对应，
所述外部连接端子具有一端和另一端，并且
所述外部连接端子的一端穿过所述插孔，以便所述连接件的所述另一端和所述外部连接端子彼此接触。
9.根据权利要求8所述的功率模块封装，其中，所述插孔具有形成在所述插孔的内壁中的卡槽，并且
与所述卡槽相对应的卡槽突出部形成在所述外部连接端子的与所述插孔相对应位置处的外壁上。
10.根据权利要求8所述的功率模块封装，该功率模块封装进一步包括键合件，该键合件形成在所述连接件的所述插孔与所述外部连接端子彼此接触的部分处。
11.根据权利要求1所述的功率模块封装，其中，所述连接件为引线架。
12.一种功率模块封装，包括：
衬底；
安装在所述衬底的一个表面上的半导体芯片；
连接到所述衬底的一个表面的外部连接端子；以及
一端接触所述半导体芯片、另一端与所述外部连接端子一体成形或单独形成并彼此接触的连接件，该连接件电连接和机械连接在所述外部连接端子与所述半导体芯片之间。
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