CN105448900B - 一种高频低压降功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为一种高频低压降功率半导体模块。属于功率半导体模块制造技术领域。它主要是解决现有的功率半导体模块关断时间长、压降大的问题。它的主要特征是：包括散热底板、外壳绝缘导热片、电极、芯片、门极引线、辅助阴极、紧固件、紧固螺钉螺母、门极块、门极片以及内填充的硅凝胶层和环氧层或硅凝橡胶层和环氧层；芯片为高频可控硅芯片或者高频整流管芯片；电极与芯片阴极面接触的部分为凸起的台面。本发明具有使功率半导体模块关断时间短且压降小的特点，能够满足静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器等设备中对功率半导体模块的需求，主要用于有高频整流和逆变要求的电力电子装置中的功率半导体模块。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体模块制造技术领域。特别是涉及一种应用于静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器，起到高频整流和逆变作用的功率半导体模块。
背景技术
目前，功率半导体模块大都由外壳、散热底板、电极、芯片、绝缘导热片、压块、紧固件、紧固螺钉、门极引线、辅助阴极、门极片和外壳内填充的硅凝（橡）胶层、环氧树脂构成。随着环保节能设备的的大量应用，在静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器等领域要求半导体器件的关断时间尽可能短。目前现有的常规模块关断时间很长，开关损耗大，无法满足上述的要求，而功率半导体模块又是设备中不可或缺的关键部件。采用IGBT模块或者高频器件组装的模块就能很好地解决上述问题，但是IGBT模块成本高，高频模块关断时间长、压降大、开关损耗大。因此，需要开发一种高频低压降功率半导体模块。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足之处而提供一种压降小、关断时间短的大功率半导体模块，能够满足静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器等设备中对功率半导体模块关断时间短且压降小的需求。
本发明的技术解决方案是：一种高频低压降功率半导体模块，包括散热底板、外壳绝缘导热片、第一电极、第二电极、第三电极、第一半导体芯片、第二半导体芯片、门极引线、辅助阴极、紧固件、紧固螺钉螺母、门极块、门极片以及内填充的硅凝胶层和环氧层或硅凝橡胶层和环氧层，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为高频可控硅芯片或者高频整流管芯片，该高频可控硅芯片为电阻率为30~70Ω·cm、芯片厚度为200~400μm的高频半导体器件，该高频可控硅芯片或者高频整流管芯片具有在8-15MeV高能电子辐照处理形成的辐照层；所述的第一电极、第二电极与第一半导体芯片、第二半导体芯片阴极面接触的部分为凸起的台面，取消原模块设计中压块，降低模块部件间的接触压降。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片可以为两个串联的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片还可以为串联的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片还可以为两个共阳极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片还可以为共阳极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片还可以为两个共阴极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
本发明的技术解决方案中所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片还可以为共阴极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
本发明由于在现有功率半导体模块的基础上，芯片采用高频可控硅芯片或者高频整流管芯片，高频可控硅芯片采用高频器件设计，电阻率和片厚都进行优选，并进行辐照处理；高频整流管芯片使用普通整流管芯片进行辐照处理；所述的电极与芯片阴极面接触部分增加了凸起台面，取消原模块设计中压块，降低模块部件间的接触压降。因而在确保关断时间的前提下，降低器件通态压降，可制造成满足关断时间短且压降小的串联、共阳极或共阴极功率半导体模块。本发明具有使功率半导体模块关断时间短且压降小的特点，能够满足静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器等设备中对功率半导体模块有关断时间短且压降小的需求。本发明主要用于有高频整流和逆变要求的电力电子装置中的功率半导体模块。
附图说明
图1是本发明结构的纵剖面构造图。
图2是现有结构的纵剖面构造图。
图3是本发明一个电极的纵剖面构造图。
图4是本发明另一个电极的纵剖面构造图。
图5是现有结构一个电极的纵剖面构造图。
图6是现有结构另一个电极的纵剖面构造图。
图7是本发明可控硅芯片光刻版的结构示意图。
图8是现有可控硅芯片光刻版的结构示意图。
图9是本发明可以制造的内部电连接图。
具体实施方式
本发明结构和原设计结构如图1至图7所示。本发明所用配套件散热底板1、外壳2、绝缘导热片3、第一电极4、第二电极5、第三电极6、第一半导体芯片7、第二半导体芯片17、门极引线8、辅助阴极9、紧固件10、紧固螺钉11、螺母12、门极块13、门极片14以及内填充的硅凝（橡）胶层和环氧层15与现有功率半导体模块中的基本相同。不同的是：所用的第一半导体芯片7、第二半导体芯片17为高频可控硅芯片或者高频整流管芯片，高频可控硅芯片采用高频器件设计，电阻率和片厚都进行优选，电阻率为30~70Ω·cm、芯片厚度为200~400μm，在台面使用聚脂亚胺双层保护后，对芯片进行辐照处理形成辐照层，剂量为3~10KGY；高频整流管芯片使用普通整流管芯片进行辐照处理，在台面使用聚脂亚胺双层保护后，对芯片进行8-15MeV高能电子辐照处理形成辐照层，剂量为1~5KGY；所述的第一电极4、第二电极5与第一半导体芯片7、第二半导体芯片17阴极面接触部分增加了凸起台面，取消原模块设计中压块16，降低模块部件间的接触压降。
绝缘导热片3放置在散热底板1上，然后依次是第一电极4、第二电极5、第三电极6、第一半导体芯片7、第二半导体芯片17、门极引线8、辅助阴极9、紧固件10，用紧固螺钉11压紧，将门极引线8和辅助阴极9连接至门极片14，并将门极片14固定于门极块13上。第一半导体芯片7、第二半导体芯片17如果是整流管，则取消辅助阴极、门极组件和门极片；如果是两个芯片都是整流管，则还应该取消门极块。
外壳内采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片7、第二半导体芯片17，该两个芯片为串联的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
外壳内可以采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片、第二半导体芯片两个芯片，两个芯片为串联的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
外壳内还可以采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片、第二半导体芯片两个芯片，两个芯片为两个共阳极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
外壳内还可以采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片、第二半导体芯片两个芯片，两个芯片为共阳极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
外壳内还可以采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片、第二半导体芯片两个芯片，两个芯片为两个共阴极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
外壳内还可以采用第一电极4、第二电极5、第三电极6及第一半导体芯片、第二半导体芯片两个芯片，两个芯片为共阴极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
电极采用焊接、冲压或机加工方法实现。
制造工艺：
1、芯片：选用高频可控硅或整流管芯片。
（1）高频可控硅芯片制造工艺：
a. 采用200~400μm的N型单晶硅，电阻率30~70Ω·cm；
b. 一次扩散采用Al.Ga杂质源，结深40～60μm，表面浓度45~80×10E17/cm3；
c. 氧化条纹：6~12条；
d. 二次扩散采用POCl3杂质源，N+结深15～22μm，N+表面浓度0.2~0.6×10E18/cm3，P结深≤80μm；
e. 台面造型采用正负角造型，一角20～42°，二角4~5°，台面保护材料使用聚脂亚胺双层保护；
f. 芯片进行辐照，剂量3~10KGY。
（2）高频整流管芯片制造工艺：
选用普通整流管芯片进行辐照，剂量1~5KGY。
2、模块组装：将散热底板、绝缘导热片、电极、芯片、辅助阴极等依次组装在一起，用紧固件和紧固螺钉压紧；
3、紧固：用压力机加压，将各种部件压紧；
4、封装：在外壳和散热底板之间用密封胶，安装门极片和塑料外壳，焊接门极片，室温或加温50～80℃固化，固化时间4～10小时；在模块内灌注硅凝（橡）胶，真空排泡处理，加温50～80℃固化，固化时间4～10小时；在50～80℃烘箱中存储72小时以上；在模块内灌注环氧，真空排泡处理，加温80～100℃固化，固化时间4～10小时；
5、高温存储：在70～100℃烘箱中存储72小时以上；
6、测试：用各种设备测试产品的重复峰值电压、门极、压降、关断时间、绝缘电压等参数。
本发明所举实例仅仅是众多型号中的一种，其它型号结构与其类似。
Claims (7)
1.一种高频低压降功率半导体模块，用于静电除尘设备、高频逆变器、高频感应加热、斩波器，起到高频整流和逆变作用，包括散热底板（1）、外壳（2）、绝缘导热片（3）、第一电极（4）、第二电极（5）、第三电极（6）、第一半导体芯片（7）、第二半导体芯片（17）、门极引线（8）、辅助阴极（9）、紧固件（10）、紧固螺钉（11）、螺母（12）、门极块（13）、门极片（14）以及内填充的硅凝胶层和环氧层或硅凝橡胶层和环氧层（15），其特征在于：所述的第一半导体芯片（7）、第二半导体芯片（17）为高频可控硅芯片或者高频整流管芯片，该高频可控硅芯片为电阻率为30~70Ω·cm、芯片厚度为200~400μm的高频器件，在台面使用聚脂亚胺双层保护后，对芯片进行8-15MeV高能电子辐照处理形成的辐照层，剂量为3~10KGY，该高频整流管芯片在台面使用聚脂亚胺双层保护后，对芯片进行8-15MeV高能电子辐照处理形成辐照层，剂量为1~5KGY；所述的第一电极（4）、第二电极（5）与第一半导体芯片（7）、第二半导体芯片（17）阴极面接触的部分为凸起的台面；将散热底板（1）、绝缘导热片（3）、第一电极（4）、第二电极（5）、第三电极（6）、第一半导体芯片（7）、第二半导体芯片（17）、辅助阴极（9）依次组装在一起，用紧固件（10）和紧固螺钉（11）压紧，用压力机加压，将各种部件压紧。
2.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为两个串联的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
3.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为串联的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
4.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为两个共阳极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
5.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为共阳极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
6.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为两个共阴极连接的高频可控硅芯片或高频整流管芯片。
7.根据权利要求1所述的一种高频低压降功率半导体模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片、第二半导体芯片为共阴极连接的一个高频可控硅芯片和一个高频整流管芯片。
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