CN103928447B - 一种大功率全气密半导体模块封装结构 - Google Patents

一种大功率全气密半导体模块封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力(功率)电子学领域，并且更具体地涉到一种大功率全气密半导体模块封装结构，包括导热底板、金属密封框、内部陶瓷基板、连接柱、半导体芯片、电路连接金属线、陶瓷封盖、小封盖、管脚，其中金属密封框、导热底板、内部陶瓷基板、半导体芯片依次焊接在一起，电路连接金属线的两端通过常规超声波或加热结合超声波的键合设备分别键合在半导体芯片和内部陶瓷基板上形成电路通路，构成气密半导体模块的内部腔体。本发明的有益效果是可用于大功率半导体模块(含大尺寸芯片、多芯片)的气密封装，有效解决了大功率半导体模块气密封装的难题，同时降低了成本，能够达到欧美对航空航天及军用半导体元件寿命的最高要求。

Description

一种大功率全气密半导体模块封装结构
技术领域
本发明涉及电力(功率)电子学领域，并且更具体地涉到半导体的封装技术。
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。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。
半导体器件有很多封装型式，从芯片级封装到系统封装再到晶片级封装技术指标越来越先进，封装对于芯片说是必须的，也是至关重要的。封装是安装半导体集成电路芯片的外壳，不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用，封装的主要作用有：1)物理保护，保护芯片在电气或热物理等方面免受外力损坏及外部环境的影响，同时缓解热变化引起的应力；2)电气连接，封装的尺寸调整功能可由芯片的极细引线间距调整到安装基板的尺寸间距，便于实际操作；3)标准规格化，封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，增强设备通用性。
封装根据封装材料不同分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装等，根据气密性分类分为气密性封装和树脂封装两类，每种封装都有其独特的地方，即它的优点和不足之处。一般气密封装适合于单个半导体芯片或多个小芯片的封装，对于大功率半导体模块(含大尺寸芯片、多芯片)的气密封装，存在封装工艺难，成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率全气密半导体模块封装结构，解决了大功率半导体模块气密封装工艺复杂，成本高的问题，同时提高了大功率半导体模块的使用寿命，从而能够达到欧美对航空航天及军用半导体模块寿命的最高要求。
为了达到上述目的，本发明提供一种大功率全气密半导体模块封装结构，包括导热底板、金属密封框、内部陶瓷基板、连接柱、半导体芯片、电路连接金属线、陶瓷封盖、小封盖、管脚，其中金属密封框、导热底板、内部陶瓷基板、半导体芯片依次焊接在一起，电路连接金属线的两端通过常规超声波或加热结合超声波的键合设备分别键合在半导体芯片和内部陶瓷基板上形成电路通路，构成气密半导体模块的内部腔体。连接柱底端焊接在内部陶瓷基板上，陶瓷封盖焊接在金属密封框上，连接柱上端与陶瓷封盖焊接在一起，构成半导体芯片与陶瓷封盖之间的导电通路。管脚焊接在陶瓷封盖上，管脚直接与外部连接，通过连接柱、陶瓷封盖、内部陶瓷基板、电路连接金属线与半导体芯片形成导电通路。小封盖与陶瓷封盖在保护性气氛中焊接在一起，成为气密封装的最终封盖。
优选地，所述半导体模块封装结构还包括外壳用于保护大功率全气密半导体模块内部结构，外壳用外壳压套与导热底板压在一起，外壳上设有螺母放置槽，管脚穿过外壳向螺母放置槽方向弯曲与外壳接触。
优选地，所述外壳由电绝缘材料尤其是塑料制成，起到双重保护作用。
优选地，连接柱和管脚的底部均浸有焊锡，用于与相关部件的焊接。
优选地，导热底板上有凹槽用于定位、固定金属密封框，同时可保证焊锡均匀分布。
优选地，金属密封框呈台阶结构，与导热底板采用焊锡焊接保证良好的气密性。
优选地，陶瓷封盖上设计有密封孔，完成内部工作后便于清理残留垃圾，最后封盖完成密封工作，同时密封孔的数量和形状不限，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。
本发明的有益效果是可用于大功率半导体模块(含大尺寸芯片、多芯片)的气密封装，有效解决了大功率半导体模块气密封装的难题，同时降低了成本。大功率半导体模块采用双陶瓷结构，内部陶瓷基板和陶瓷封盖，陶瓷基板和陶瓷封盖均采用焊锡焊接方式进行连接，双陶瓷结构具有良好的绝缘性能。陶瓷封盖上设计有密封孔，完成内部工作后便于清理残留垃圾。此外，采用此种封装形式的大功率半导体模块，其使用寿命超过30年，能够达到欧美对航空航天及军用半导体元件寿命的最高要求。
附图说明
图1为大功率全气密半导体模块的外形图。
图2为大功率全气密半导体模块的内部结构图。
图3为大功率全气密半导体模块的导热底板结构图。
图4为大功率全气密半导体模块的金属密封框图。
图5为大功率全气密半导体模块的内部陶瓷基板图。
图6为大功率全气密半导体模块的陶瓷封盖图。
图7为大功率全气密半导体模块的基体装配图。
图8为大功率全气密半导体模块的基体及半导体芯片装配图。
图9为大功率全气密半导体模块的管脚装配图。
图中所示标记如下：1、导热底板；2、焊锡片a；3、金属密封框；4、焊锡片b；5、内部陶瓷基板；6、连接柱；7、焊锡片c；8、半导体芯片；9、电路连接金属线；10、焊锡片d；11、陶瓷封盖；12、焊锡片e；13、封盖；14、管脚；15、塑料外壳；16、塑料外壳压套；17、螺母；11-2、陶瓷基体；11-3、通孔a；11-4、上面金属膜；11-5、通孔b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
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，需要说明的是附图中各组件和元件的数量及形状仅示意性说明了本发明，并非用于限定本发明。
图1是模块封装好以后的外形图，大功率半导体模块本身用外螺钉通过塑料外壳压套16内部的孔固定在外部散热器上。管脚17通过外螺钉和管脚17下面的螺母与外电路连接。
图2是本发明大功率全气密半导体模块的内部结构图。大功率全气密半导体模块内部按照导热底板1、焊锡片a2、金属密封框3、焊锡片b4、内部陶瓷基板5、焊锡片c7、连接柱6、半导体芯片8、电路连接金属线9、焊锡片d10、陶瓷封盖11、焊锡片e12、封盖13、管脚14、塑料外壳15、塑料外壳压套16、螺母17顺次连接。连接柱6和管脚14的底部均浸有一定量的焊锡，用于与相关部件的焊接。其中，导热底板1为模块封装的基础，整个模块用焊锡片a2、焊锡片b4、焊锡片c7、焊锡片d10、焊锡片e12、连接柱6及管脚14底部自带的焊锡焊接在一起。
将金属密封框3与导热底板1通过焊锡焊接为一体，再将内部陶瓷基板5用焊锡焊接在导热底板1上，构成大功率气密半导体模块的基体。将半导体芯片8用焊锡焊接在内部陶瓷基板5上，再将电路连接金属线9的两端通过常规超声波或加热结合超声波的键合设备分别键合在半导体芯片8和内部陶瓷基板5上形成电路通路，构成气密半导体模块的内部腔体。
将连接柱6通过其底部的浸锡焊接在内部陶瓷基板5上。将陶瓷封盖11用焊锡焊接在金属密封框3上，然后用焊锡将连接柱6与陶瓷封盖11焊接在一起，构成半导体芯片8与陶瓷封盖6之间的导电通路。将管脚14用其底部自带的焊锡焊接在陶瓷封盖11上，管脚14直接与外部连接，通过连接柱6、陶瓷封盖11、内部陶瓷基板5、电路连接金属线9与半导体芯片8形成导电通路。将封盖13与陶瓷封盖11在保护性气氛中焊接在一起，成为气密封装的最终封盖。将塑料外壳15用塑料外壳压套16与导热底板1压在一起，将螺母17放入塑料外壳15的螺母放置槽内，然后将管脚14向螺母17方向弯曲并与塑料外壳15接触。管脚14通过外螺钉和管脚14下面的螺母与与外电路连接固定用，模块本身用外螺钉通过塑料外壳压套16用于将塑料外壳15固定在导热底板1上。塑料外壳15用于保护模块内部结构。
陶瓷封盖11为底面框形金属膜用焊锡焊接在金属密封框3上，将管脚14用焊锡焊接在陶瓷封盖11上。11-2为陶瓷基体；11-3为通孔a，封盖13盖住此孔；11-4为上面金属膜，构成电路，并与连接柱6、管脚14、封盖13焊接；11-5为通孔b，连接柱6从中穿过。11-3、11-5也可以是其它形状(如方形)，根据需要数量可以变化。用焊锡将连接柱6与陶瓷封盖11焊接在一起，最后将封盖13焊接在陶瓷封盖11上，完成最后的密封。

Claims (7)

1.一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征在于：包括导热底板、金属密封框、内部陶瓷基板、连接柱、半导体芯片、电路连接金属线、陶瓷封盖、小封盖、管脚，其中金属密封框、导热底板、内部陶瓷基板、半导体芯片依次焊接在一起，电路连接金属线的两端通过常规超声波或加热结合超声波的键合设备分别键合在半导体芯片和内部陶瓷基板上形成电路通路，构成气密半导体模块的内部腔体；连接柱底端焊接在内部陶瓷基板上，陶瓷封盖焊接在金属密封框上，连接柱上端与陶瓷封盖焊接在一起，构成半导体芯片与陶瓷封盖之间的导电通路；管脚焊接在陶瓷封盖上，管脚直接与外部连接，通过连接柱、陶瓷封盖、内部陶瓷基板、电路连接金属线与半导体芯片形成导电通路；小封盖与陶瓷封盖在保护性气氛中焊接在一起，成为气密封装的最终封盖。
2.根据权利要求1所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征在于：所述半导体模块封装结构还包括外壳，用于保护大功率全气密半导体模块内部结构，外壳用外壳压套与导热底板压在一起，外壳上设有螺母放置槽，管脚穿过外壳向螺母放置槽方向弯曲与外壳接触。
3.根据权利要求2所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征是：所述外壳由电绝缘材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征在于：连接柱和管脚的底部均浸有焊锡。
5.根据权利要求1所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征是：导热底板上有凹槽。
6.根据权利要求1所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征是：金属密封框呈台阶结构，与导热底板采用焊锡焊接。
7.根据权利要求1所述的一种大功率全气密半导体模块封装结构，其特征是：陶瓷封盖上设计有密封孔。
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