CN106252312A - 具有堆叠端子的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件包括：壳体；在壳体内的衬底；在衬底上的第一和第二半导体电路；以及分别电连接至第一和第二半导体电路的第一和第二平面端子，第一和第二平面端子彼此堆叠，其中第一和第二平面端子中的每个平面端子延伸远离壳体。

Description

具有堆叠端子的半导体器件
技术领域
本公开涉及半导体领域，并且具体地涉及一种具有堆叠端子的半导体器件。
背景技术
很多传统的半导体器件具有基本相似的形状：壳体，具有从其延伸的薄引线。壳体可以是实心矩形的形式，其用于包封并保护内部的电路装置。引线穿过壳体突出，引线用于将器件电连接至其它的部件或电路。例如，这种形式因子用于某些类型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
由于半导体器件用于控制电流，因此它们在控制电流方面的效率在其所应用的整个装置的效率中起着重要的作用。例如，功率逆变器的性能和效率-直流(DC)至交流(AC)的变换器-取决于其电路中的半导体器件的效率。该装置的效率转而可以影响一些较大系统的性能。例如，在电动车辆中(例如，插电式电动车辆或混合动力车)，在必须对电池再次充电之前的通过电力提供的行程是个重要的特性。因此，改进的半导体器件可以改善电动车辆和其它系统的性能和效率。
发明内容
在第一方面中，半导体器件包括：壳体；在壳体内的衬底；在衬底上的第一和第二半导体电路；以及分别电连接至第一和第二半导体电路的第一和第二平面端子，第一和第二平面端子彼此堆叠，其中第一和第二平面端子中的每个平面端子延伸远离壳体。
实施方式可以包括任意或全部的下列特征。第一和第二半导体电路被定位在衬底的顶部上的公共平面中，其中第一平面端子邻接第一半导体电路，其中第二平面端子被定位在第一平面端子的与第一和第二半导体电路相对的侧上，其中第二平面端子包含通过偏移部分从第二平面端子的主要部分偏移的接触部分，并且其中接触部分邻接第二半导体电路。壳体具有公共开口，第一和第二平面端子穿过公共开口而延伸远离壳体。半导体器件进一步包括位于第一平面端子与至少第二平面端子的主要部分之间的电绝缘层。第一和第二半导体电路被定位在衬底的顶部上的公共平面中，并且半导体器件进一步包括：邻接第一半导体电路的第一母线，其中第一平面端子邻接第一母线；以及邻接第二半导体电路的第二母线，其中第二平面端子邻接第二母线。第一母线是平面的且穿过壳体延伸出，并且其中第一平面端子邻接壳体外部的第一母线。第二母线是平面的并且具有通过壳体中的开口而被暴露的部分。第二平面端子被定位在第一平面端子的与第一和第二母线相对的侧上，其中第二平面端子包含通过偏移部分从第二平面端子的主要部分偏移的接触部分，并且其中接触部分邻接第二母线的部分。第一和第二平面端子针对其相应表面积的大部分而彼此重叠。第一和第二平面端子中的每个平面端子具有的宽度是半导体器件的宽度的至少70％。
在第二方面中，一种装置包括：多个半导体器件，每个半导体器件包括衬底、位于衬底上的第一和第二半导体电路、以及分别邻接第一和第二半导体电路的第一和第二母线；电容器；以及电连接至电容器的第一平面端子和第二平面端子，第一和第二平面端子彼此堆叠，其中第一平面端子邻接多个半导体器件中的每个半导体器件的第一母线，并且其中第二平面端子邻接多个半导体器件中的每个半导体器件的第二母线。
实施方式可以包括任意或全部的下列特征。该装置进一步包括多个电容器，其中第一和第二平面端子电连接至多个电容器中的每个电容器。第一和第二平面端子中的每个平面端子包括相应的片材，该相应的片材在电容器与多个半导体器件之间延伸。至少一个片材具有阶梯状，以在电容器的远侧提供第一接触平面。片材中的其它片材也具有阶梯状，以在电容器的近侧提供第二接触平面。
在第三方面中，一种方法包括：将多个半导体器件定位在行中，多个半导体器件中的每个半导体器件包括衬底、位于衬底上的第一和第二半导体电路、以及分别邻接第一和第二半导体电路的第一和第二母线；通过将第一平面端子放置成与多个半导体器件中的每个半导体器件的第一母线接触以及将第二平面端子放置成与多个半导体器件中的每个半导体器件的第二母线接触而形成组件，第一和第二平面端子彼此堆叠；将第一平面端子焊接至多个半导体器件中的每个半导体器件的第一母线，该焊接从组件的一侧执行；以及将第二平面端子焊接至多个半导体器件中的每个半导体器件的第二母线，该焊接从组件的相对侧执行。
实施方式可以包括任意或全部的下列特征。该方法进一步包括：在第一和第二平面端子之间包括电绝缘层。该方法进一步包括将第一和第二平面端子中的每个平面端子电连接至多个电容器。该焊接包括激光焊接。
附图说明
图1示出了具有堆叠平面端子的半导体器件的示例的截面。
图2示出了图1中的半导体器件的顶视图。
图3示出了具有堆叠平面端子的半导体器件的另一示例的截面。
图4示出了半导体器件和电容器的组件的透视图。
图5示出了图4中的组件的截面。
具体实施方式
本文描述了与改进的半导体器件有关的系统与技术的示例。在一些实施方式中，半导体器件具有彼此堆叠的相对大和平面的高电压端子。这些平面端子及其作为整体相对于器件的布置可以允许更高效的半导体操作并提供方便的制造工艺。例如，传统地围绕器件布置的系统的一些部件反而可以被集成到与器件相同的封装中。这可以改善器件的电和热性能，减小其电感，并降低制造和组装成本。
本文的一些示例涉及IGBT或功率逆变器。这仅是示意性的并且其它实施方式包括除了IGBT之外的晶体管和/或除了逆变器之外的装置。
在常规的IGBT中，模块基本由衬底组成，其中四个半导体电路(也被称为硅裸片)以大致矩形布置被定位在衬底的表面上。然后模块具有被焊接至硅裸片的两个母线，使得两个母线延伸远离模块。也就是说，母线中的每一个均被定位在硅裸片中的两个的顶部上，使得一个母线端部位于衬底上且另一个端部延伸超过衬底的边缘。这些母线通常彼此平行并且间隔开某一距离，该距离基本上对应于硅裸片在衬底上硅裸片的定位。在操作时，电流通过母线中的一个流入半导体器件中，穿过硅裸片，并通过另一母线流出器件。
对半导体器件性能产生负面影响的一个电特性是其电感。因此期望降低器件的电感，而不减小其传导和变换电流的能力。在上述IGBT中，电感正比于母线之间的面积。以更高的层次看IGBT，各个硅裸片通过接合线彼此连接，该接合线还将各个硅裸片连接至从壳体延伸的三个引线中的一个或多个引线。接合线通常在两个硅裸片之间、或者在裸片与引线之间形成回路。在这样的背景下，电感正比于接合线的回路之下的面积。这样，半导体器件的效率可以通过减小母线之间的面积或接合线的回路之下的面积来改善。
图1示出了具有堆叠平面端子120A-B的半导体器件100的示例的截面。该器件使用衬底104来实施。该衬底可以用于引导热量远离器件，而同时使高电压部件电绝缘。在一些实施方式中，衬底包括直接接合铜(DBC)结构。例如，DBC结构可以包括夹设在所示的铜层之间的陶瓷层。
半导体电路实施在衬底的顶部上。在此，示出了硅裸片160A-B。这些硅裸片包含限定了整个半导体组件的特定操作模式的电路装置。在一些实施方式中，硅裸片限定了IGBT器件。例如，硅裸片可以被制造为随后被安装到衬底的顶部表面上的芯片(有时也称作硅芯片)。
在该示例中，半导体器件具有分别邻接硅裸片106A-B的堆叠平面端子102A-B。该堆叠的平面端子具有朝向图中左侧延伸的任意长度。每个端子均形成完整的平面，可以由任何导电材料制成，并可以被焊接至其相应的硅裸片。平面端子102A在此邻接硅裸片106A并被标记为正(+)用于参考。平面端子102B在此邻接硅裸片106B并被标记为负(-)用于参考。也就是说，端子彼此堆叠并且在该示例中负端子与正端子重叠。间隔108在此形成在平面端子之间。
具体地，因为硅裸片106A-B位于公共的平面中(衬底的顶部上)，因此平面端子102B具有沿着平面的整个宽度的偏移部分110以便提供邻接硅裸片106B的接触部分112。在一些实施方式中，接触部分形成与平面端子102B的主要部分平行并且从其偏移的平面。偏移部分可使用任意合适的技术形成，如通过冲压或弯曲。
壳体114包封半导体器件的至少一部分。该壳体可具有一个或多个开口。在一些实施方式中，壳体具有平面端子102A-B延伸穿过的公共开口116。例如，在衬底之后，硅裸片和平面端子被组装，壳体可被注塑成型在该组件上，使得端子从包封的结构延伸。
电绝缘体118可以设置在平面端子之间的间隔中。绝缘体提供跨形成相应平面端子的导电片的整个宽度的电绝缘。在一些实施方式中，使用绝缘纸。
也就是说，上述示例的半导体器件100包括壳体114，在壳体内的衬底104，在衬底上的半导体电路106A-B，以及分别延伸远离壳体并电连接至第一和第二半导体电路的平面端子102A-B。具体地，平面端子彼此堆叠。
因此，电感当前正比于平面端子102A-B之间的面积加上端子102B和衬底104之间的面积，在此处负端子与正端子重叠。这相比于传统的器件设计可以允许电感的显著降低。例如，因为平面端子邻接硅裸片并且还延伸出壳体，因此可以考虑将母线结构(至少部分地)集成在壳体内。本实施方式中的一些可以避免将IGBT引线附接至外部母线层并由此消除了在该母线层中形成孔的需要，在该母线层中形成孔会增大电感。
图2示出了图1中的半导体器件100的顶视图。这示出了平面端子102A如何邻接硅裸片106A以及平面端子102B如何邻接硅裸片106B。因为平面端子彼此堆叠并且其中的一个与另一个部分地重叠，因此端子102A和硅裸片106A-B用虚线示出。端子102A在此被示出为比端子102B窄，仅仅用于使图示清楚。这种布置提供了每裸片面积增加的母线宽度，这改善了性能。在一些实施方式中，平面端子针对其相应表面积的大部分而彼此重叠。还示出了附加的半导体电路。在一些实施方式中，这些附加的半导体电路包括另外的硅裸片200A-B，其也是半导体器件的一部分。平面端子通过任意适合的技术被附接至相应的硅裸片106A-B和200A-B，包括但不限于，焊接。
图3示出了具有堆叠平面端子302A-B的半导体器件300的另一示例的截面。硅裸片和衬底可以基本上与上文相同。然而，邻接相应硅裸片的母线304A-B在此在公共的平面中延伸，而不是彼此堆叠。母线304A-B基本上为平面导体，其提供与硅裸片的高电压连接。母线304A中的一些或全部通过壳体308中的开口306暴露在外，该壳体308包封半导体器件的至少一部分。同样，母线304B中的一些或全部通过壳体中的开口310暴露在外。例如，该开口可以形成为注塑成型工艺的一部分，该工艺将器件封装到包封的结构中。
此处，平面端子302A邻接壳体外的母线304A。同样，平面端子302B邻接母线304B，母线304B的至少一部分通过开口310被暴露。例如，平面端子和母线可以焊接在一起。在一些实施方式中，该方法可实现简化的制造工艺，其中平面端子-其可以是足够宽以跨越若干IGBT的片材-可以容易地与器件的母线对齐并附接至母线。在一些实施方式中，两个母线可以如针对母线304B所示的那样以类似的方式通过孔被暴露。
类似于前面的示例，平面端子302B可以具有偏移部分，其提供接触部分-平行于平面端子的主要部分并且从其偏移-以便触及其母线的至少一部分。
电绝缘312可以设置在平面端子302A-B之间的间隔中。在一些实施方式中，这些平面端子(带有绝缘)的堆叠结构可以预先组装并且随后该组件可被引至半导体器件的其余部分以进行电连接。如此，当前的示例可被认为具有在半导体封装外完成的堆叠，而不是在其内部，这可以简化制造。
图4示出了半导体器件402和电容器404的组件400的透视图。图5示出了图4中的组件的截面。在一些实施方式中，电容器耦合至半导体器件以便保护免于瞬变，并有助于维持DC母线上的电压。例如，电容器可以用作直流侧电容器。可使用任意形式的电容器导体，包括但不限于，薄膜或箔片(例如，被折叠或卷绕成紧凑结构)。
在此，示出了一组六个半导体器件402，但在其它实施方式中可使用更多个或更少。在此为了清晰而省略了半导体壳体。半导体器件被布置为在行中彼此相邻。每个器件具有衬底406和母线408A-B。母线连接至衬底上相应的半导体电路(例如，硅裸片)，该衬底在该图示中不可见。具体地，硅裸片可被定位在相应的母线408A-B与衬底406之间。
平面端子410A-B在此包含导电片，其通过母线将电容器404连接至半导体器件中的每一个。平面端子彼此堆叠，使得平面端子410A邻接母线408A并且平面端子410B邻接母线408B。在平面端子的另一端，它们连接至电容器的相应导体。也就是说，每一个平面端子将多个半导体器件连接至若干电容器中的每一个。图4还示出了母线相比于作为整体的半导体器件(基本上是衬底的宽度)具有显著的宽度。例如，母线中的每一个可以为半导体器件的宽度的至少70％。
从外形看去，一个或多个平面端子410A-B可具有阶梯形状。在此，平面端子在半导体器件附近的区域基本为平坦平面。为了容纳电容器和半导体器件的相对位置，平面端子410B(在该示例中端子的“下部”)产生转角412A-B以便为电容器的底部导体提供接触平面414B(在该示例中)。平面端子410A可生成对应的转角以形成用于相对的电容器导体的接触平面414A。
平面端子提供连续的导电平面以用于去往和来自电容器的电流传送。也就是说，因为这些片材或引脚的电连接至半导体器件的边缘处不具有孔，因此，几乎不存在或没有阻碍电流流动的“瓶颈”。
组件400可形成功率逆变器的一部分。在一些实施方式中，逆变器可以包括两个(或更多)组件400，其中半导体器件(例如，IGBT)被共同控制以便执行直流-到-交流变换。例如，两个该组件可以被定向以使得它们相应的半导体器件彼此靠近，这可以简化布置和冷却系统(例如，液体散热片)的操作。
现在将描述组装装置的示例。为了示意的目的，该描述将参考上述部件的一些示例。然而，可使用其它部件作为替代这些部件或者除了使用这些部件之外还可以使用其它部件。
半导体器件(例如，402)被定位在行中。半导体器件中的每一个包含衬底(例如，406)，位于衬底上的第一和第二半导体电路(例如，106A-B)，以及分别邻接第一和第二半导体电路的第一和第二母线(例如，408A-B)。
通过将第一平面端子(例如，410A)放置成与多个半导体器件中的每一个的第一母线(例如，408A)接触以及将第二平面端子(例如，410B)放置成与多个半导体器件中的每一个的第二母线(例如，408B)接触以形成组件。第一和第二平面端子彼此堆叠。例如，端子可首先被堆叠并随后(作为组装后的堆叠)被放置成与相应的母线接触。
第一平面端子被焊接至多个半导体器件中的每一个的第一母线。该焊接从组件的一侧执行。从组件上方的焊接416A在此示意性地示出。类似地，第二平面端子被焊接至多个半导体器件中的每一个的第二母线。该焊接从组件的相对侧执行。从组件下方的焊接416B在此示意性地示出。例如，可使用激光焊接。
电绝缘层(例如，118)可被包括在第一和第二平面端子之间。例如，可以在端子被彼此堆叠之前插入绝缘纸。
第一和第二平面端子中的每个平面端子可电连接至多个电容器(例如，404)。例如，端子的相应接触平面可以连接(例如，焊接)至相应的电容器端子。
在一些组装工艺中可执行更多或更少的步骤。而且，两个或更多多步骤可以不同的顺序执行。
多种实施方式已经作为示例进行了描述。然而，其它实施方式可由随后的权利要求所覆盖。

Claims (19)

1.一种半导体器件，包括：
壳体；
在所述壳体内的衬底；
在所述衬底上的第一半导体电路和第二半导体电路；以及
分别电连接至所述第一半导体电路和所述第二半导体电路的第一平面端子和第二平面端子，所述第一平面端子和所述第二平面端子彼此堆叠，其中所述第一平面端子和所述第二平面端子中的每个平面端子延伸远离所述壳体。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一半导体电路和所述第二半导体电路被定位在所述衬底的顶部上的公共平面中，其中所述第一平面端子邻接所述第一半导体电路，其中所述第二平面端子被定位在所述第一平面端子的与所述第一半导体电路和所述第二半导体电路相对的侧上，其中所述第二平面端子包含通过偏移部分从所述第二平面端子的主要部分偏移的接触部分，并且其中所述接触部分邻接所述第二半导体电路。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述壳体具有公共开口，所述第一平面端子和所述第二平面端子穿过所述公共开口延伸远离所述壳体。
4.根据权利要求2所述的半导体器件，进一步包括位于所述第一平面端子与至少所述第二平面端子的所述主要部分之间的电绝缘层。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一半导体电路和所述第二半导体电路被定位在所述衬底的顶部上的公共平面中，所述半导体器件进一步包括：
邻接所述第一半导体电路的第一母线，其中所述第一平面端子邻接所述第一母线；以及
邻接所述第二半导体电路的第二母线，其中所述第二平面端子邻接所述第二母线。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中所述第一母线是平面的且穿过所述壳体延伸出，并且其中所述第一平面端子邻接所述壳体外部的所述第一母线。
7.根据权利要求5所述的半导体器件，其中所述第二母线是平面的并且具有通过所述壳体中的开口而被暴露的部分。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第二平面端子被定位在所述第一平面端子的与所述第一母线和所述第二母线相对的侧上，其中所述第二平面端子包含通过偏移部分从所述第二平面端子的主要部分偏移的接触部分，并且其中所述接触部分邻接所述第二母线的所述部分。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一平面端子和所述第二平面端子针对其相应表面积的大部分而彼此重叠。
10.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一平面端子和所述第二平面端子中的每个平面端子具有的宽度是所述半导体器件的宽度的至少70％。
11.一种装置，包括：
多个半导体器件，每个半导体器件包括衬底、位于所述衬底上的第一半导体电路和第二半导体电路、以及分别邻接所述第一半导体电路和所述第二半导体电路的第一母线和第二母线；
电容器；以及
电连接至所述电容器的第一平面端子和第二平面端子，所述第一平面端子和所述第二平面端子彼此堆叠，其中所述第一平面端子邻接所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第一母线，并且其中所述第二平面端子邻接所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第二母线。
12.根据权利要求11所述的装置，进一步包括多个电容器，其中所述第一平面端子和所述第二平面端子电连接至所述多个电容器中的每个电容器。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一平面端子和所述第二平面端子中的每个平面端子包括相应的片材，所述相应的片材在所述电容器与所述多个半导体器件之间延伸。
14.根据权利要求13所述的装置，其中至少一个所述片材具有阶梯状，以在所述电容器的远侧提供第一接触平面。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述片材中的其它片材也具有阶梯状，以在所述电容器的近侧提供第二接触平面。
16.一种方法，包括：
将多个半导体器件定位在行中，所述多个半导体器件中的每个半导体器件包括衬底、位于所述衬底上的第一半导体电路和第二半导体电路、以及分别邻接所述第一半导体电路和所述第二半导体电路的第一母线和第二母线；
通过将第一平面端子放置成与所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第一母线接触，以及将第二平面端子放置成与所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第二母线接触而形成组件，所述第一平面端子和所述第二平面端子彼此堆叠；
将所述第一平面端子焊接至所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第一母线，该焊接从所述组件的一侧执行；以及
将所述第二平面端子焊接至所述多个半导体器件中的每个半导体器件的所述第二母线，该焊接从所述组件的相对侧执行。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：在所述第一平面端子和所述第二平面端子之间包括电绝缘层。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将所述第一平面端子和所述第二平面端子中的每个平面端子电连接至多个电容器。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述焊接包括激光焊接。
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