CN113421863B - 功率半导体封装器件及功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种功率半导体封装器件。该功率半导体封装器件包括依次层叠的功率半导体晶圆、导热层和散热器，以及包裹和密封功率半导体晶圆和至少部分导热层的密封件。功率半导体封装器件还包括管脚，管脚包括包裹于密封件内的连接段，以及位于密封件之外的延伸段。连接段与功率半导体晶圆电连接，延伸段与散热器的第一外表面之间的最近距离，大于功率半导体晶圆的最高工作电压所对应的爬电距离。通过管脚裸露于密封件外部的延伸段与第一外表面之间的距离限制，可以避免管脚出现爬电的现象。本申请还提供一种功率变换器。

Description

功率半导体封装器件及功率变换器
技术领域
本申请涉及电路领域，尤其涉及一种功率半导体封装器件，以及一种包括该功率半导体封装器件的功率变换器。
背景技术
功率半导体封装器件多应用于半导体电路中，作为功率变换器使用，以实现交直流转换、直流升压/降压等功能。含有功率变换器的半导体电路也多应用于太阳能逆变器、电动机驱动器、以及不间断供电电源等设备中，作为升压电路或逆变电路使用。
为了实现功率半导体封装器件的小型化，需要提高其内部各组件的集成度。但功率半导体封装器件多工作于高电压环境下，其外部裸露有管脚，小型化后的功率半导体封装器件容易出现管脚爬电的现象。
发明内容
本申请提供一种功率半导体封装器件和功率变换器。在实现功率半导体封装器件小型化的同时，可以有效杜绝其裸露的管脚出现爬电现象。本申请具体包括如下技术方案：
第一方面，本申请提供一种功率半导体封装器件，包括功率半导体晶圆；导热层，包括层叠的上导热层、绝缘层和下导热层；绝缘层位于上导热层和下导热层之间；上导热层与功率半导体晶圆贴合；散热器，包括第一外表面，第一外表面与下导热层贴合；密封件，用于包裹和密封功率半导体晶圆和至少部分导热层；管脚，包括连接段和延伸段，连接段与功率半导体晶圆电连接，并同样包裹于密封件内，延伸段位于密封件之外，且延伸段与第一外表面之间的最近距离，大于功率半导体晶圆的最高工作电压所对应的爬电距离。
本申请功率半导体封装器件通过依次层叠的功率半导体晶圆、导热层和散热器，实现了功率半导体晶圆的绝缘和散热功能。然后通过密封件对功率半导体晶圆和至少部分导热层的包裹，实现功率半导体晶圆的密封和防护功能。而与功率半导体晶圆电连接的管脚，则可以实现功率半导体晶圆与外部电路的电流传输和信号传输功能。
其中，本申请功率半导体封装器件中的管脚包括连接段和延伸段，连接段同样包裹于密封件之内，并用于与功率半导体晶圆电连接；延伸段则裸露于密封件之外，且通过限定延伸段与散热器的第一外表面之间的距离，使得二者之间的最近距离大于功率半导体晶圆的最高工作电压所对应的爬电距离，可以杜绝延伸段出现爬电的现象。相较于管脚裸露部分与散热器距离较近的方案，本申请功率半导体封装器件的安全性和可靠性更高。
在一种可能的实现方式中，连接段沿自身长度方向具有相对的第一端和第二端，第一端与功率半导体晶圆电连接，第二端与延伸段连接，且第一端与第一外表面之间的距离，小于第二端与第一外表面之间的距离。
在本实现方式中，设置连接段的相对两端之间形成高度差，可以分别实现连接段与功率半导体晶圆之间的电连接，以及实现连接段与延伸段之间的导通，进而保证延伸段与第一外表面之间的安全距离。
在一种可能的实现方式中，导热层包括层叠的上导热层和下导热层，以及位于上导热层和下导热层之间的绝缘层，第一面位于上导热层处，第二面位于下导热层处。
在本实现方式中，上导热层和下导热层可用于实现功率半导体晶圆的散热，绝缘层则实现了功率半导体晶圆与散热器之间的电隔离。
在一种可能的实现方式中，上导热层和下导热层的材料均为铝或含铝合金铜或含铜合金；绝缘层的材料为陶瓷。
在一种可能的实现方式中，密封件的材料为塑料、玻璃或陶瓷。
在一种可能的实现方式中，定义功率半导体晶圆的最高工作电压为V1，延伸段与第一外表面之间的最近距离为D1，则满足条件：D1≥V1/200+2(mm)。
在一种可能的实现方式中，当功率半导体晶圆的最高工作电压为400V时，延伸段与第一外表面之间的最近距离大于或等于4mm；当功率半导体晶圆的最高工作电压为1000V时，延伸段与第一外表面之间的最近距离大于或等于7mm。
在一种可能的实现方式中，功率半导体晶圆包括金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transi stor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、二极管或三极管中的一者或多者。
在一种可能的实现方式中，功率半导体晶圆包括绝缘栅双极型晶体管和二极管。
在一种可能的实现方式中，功率半导体封装器件采用TO-247或TO-220的标准封装。
在一种可能的实现方式中，功率半导体晶圆包括第一功能端口，第一功能端口位于功率半导体晶圆靠近上导热层一侧，第一功能端口通过上导热层与管脚电连接。
在本实现方式中，功率半导体晶圆与管脚分别与上导热层的固定连接，可以保证管脚与功率半导体晶圆之间的连接可靠性。
在一种可能的实现方式中，功率半导体晶圆还包括第二功能端口，上导热层包括相互隔离的第一导热区和第二导热区，管脚的数量为两个，第一功能端口通过第一导热区与一个管脚导通，第二功能端口通过第二导热区与另一个管脚导通。
在本实现方式中，功率半导体晶圆具有至少两个功能端口，并通过各个功能端口实现功能。此时设置多个管脚和多个相互隔离的导热区，可以使得每一路信号的传输分别由一个管脚与一个导热区配合实现。
在一种可能的实现方式中，功率半导体封装器件包括连接线，连接线连接于功率半导体晶圆的第二功能端口与第二导热区之间，以实现第二功能端口与固定于第二导热区上的管脚之间的电连接。
在本实现方式中，功率半导体晶圆与第一导热区贴合并使得第一功能端口与第一导热区导通，而功率半导体晶圆的第二功能端口与第二导热区之间可以通过连接线来实现电流传输或信号传输，使得相互隔离的两个导热区各自用于传输一路电流或信号。
在一种可能的实现方式中，连接线包括第一段和第二段，上导热层还包括中间导热区，第一段连接于第二功能端口与中间导热区之间，第二段连接于中间导热区与第二导热区之间。
在本实现方式中，通过设置中间导热区，可以对连接线形成桥接的结构，缩短了单根连接线的长度，提升本申请功率半导体封装器件的电流传输和信号传输可靠性。
在一种可能的实现方式中，功率半导体封装器件还包括绝缘件，绝缘件位于第一外表面与延伸段之间。
在本实现方式中，绝缘件设置于延伸段与第一外表面之间，可以有效增加延伸段与第一外表面之间的密封件或其他元器件的表面距离，能进一步的防止爬电现象产生。
在一种实现方式中，绝缘件采用绝缘膜的方式实现，绝缘膜贴覆于第一外表面上。
在一种实现方式中，绝缘件采用灌胶的方式实现，且该灌胶结构还可以用于包裹并保护延伸段。
在一种实现方式中，绝缘件包裹于延伸段的外围，且绝缘件与密封件的材料相同，二者一体成型。
在一种可能的实现方式中，第一外表面包括第一区域和第二区域，下导热层于第一区域与第一外表面贴合，延伸段在第一外表面上的投影位于第二区域之内；在功率半导体晶圆与导热层层叠的方向上，延伸段与第一区域之间的距离，小于延伸段与第二区域之间的距离。
在本实现方式中，通过设置第一外表面为异面的结构，如阶梯结构、斜面结构等，更有利于保证第一外表面与延伸段之间的安全距离。
第二方面，本申请提供一种功率变换器，至少包括一个本申请第一方面提供的功率半导体封装器件，以及一个控制器。控制器用于控制该至少一个功率半导体封装器件的导通和关断，以进行功率变换。可以理解的，在本申请第二方面提供的功率变换器中，因为采用了本申请第一方面提供的功率半导体封装器件，其效果大致相同，此处不做赘述。
附图说明
图1是本申请提供的一种功率变换器使用场景的电路图；
图2是本申请提供的另一种功率变换器使用场景的电路图；
图3是本申请提供的一种功率半导体封装器件的结构示意图；
图4是本申请提供的一种功率半导体封装器件的分解结构示意图；
图5是本申请提供的一种功率半导体封装器件的截面示意图；
图6是本申请提供的一种功率半导体封装器件中导热层的分解结构示意图；
图7是本申请提供的一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图8是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图9是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图10是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图11是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图12是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的局部截面示意图；
图13是本申请提供的一种功率半导体封装器件的内部平面结构示意图；
图14是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的内部平面结构示意图；
图15是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的内部平面结构示意图；
图16是本申请提供的另一种功率半导体封装器件的内部平面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请提供的一种功率变换器在半导体电路200中的电路示意图。
在图1的示意中，该半导体电路200为升压电路(BOOST)。具体的，半导体电路200包括电感201、第一功率半导体封装器件202、第二功率半导体封装器件203、电容204以及控制器205。其中，第一功率半导体封装器件202、第二功率半导体器件203即可为本申请图3-图16所提供的功率半导体封装器件，控制器205与第一功率半导体封装器件202则形成为本申请所提供的功率变换器。
本实施例中，半导体电路200用于将自输入端210接收的电源的第一电压升高为第二电压，第二电压自输出端220输出，实现功率变换功能。
电感201用于对输入端210提供的电源电能实现储能、释能；
电容204连接于输出端220,用于对电感201释能时的电源电能进行滤波后获得第二电压；
第二功率半导体封装器件203具体为二极管，连接于电感201与电容204之间，用于实现电感201单向向输出端220释能；
控制器205与第一功率半导体封装器件202共同作为半导体电路200的功率变换器，即可控开关使用。该可控开关连接于电感201与输入端210，用于为电感201提供储能路径。
具体的，控制器205用于控制第一功率半导体封装器件202的导通和关断，当第一功率半导体封装器件202处于导通状态时，电感201连接于两个输入端210之间，处于储能路径得以存储电能；当第一功率半导体封装器件202处于关断状态时，电感201经过第二功率半导体封装器件203连接于输出端220形成释能路径，电感201存储的电能得以释放，实现了半导体电路200的升压效果。
图2为本申请提供的另一种功率变换器在半导体电路300中的电路示意图。
在图2的示意中，该半导体电路300为逆变电路。具体包括四个功率半导体封装器件301、控制器303以及一个电容302。其中，四个功率半导体封装器件301也为本申请图3-图16提供的功率半导体封装器件。控制器303用于控制各个功率半导体封装器件301的导通和关断，并与各个功率半导体封装器件301共同作用，形成为本申请提供的功率变换器。
四个功率半导体封装器件301定义为开关Q1～Q4，构成两个桥臂，且每一桥臂包括两个串联在半导体电路300的正负极的功率半导体封装器件301。电容302连接于输入端310的正负极之间，用于对半导体电路300的输入端310中的电压、电流进行滤波。
在图2所示的半导体电路300中，通过控制器303的控制，四个功率半导体封装器件301也作为可控开关使用，并且通过对两个桥臂中四个功率半导体封装器件301导通、关断状态的控制，构成两个不同的导电路径。
具体的，控制器303具有四个控制端口A\B\C\D，其分别对应控制Q1\Q2\Q3\Q4四个功率半导体封装器件301的导通和关断。当开关Q1、Q4处于导通状态时，Q2、Q3处于关断状态，此时半导体电路300中的正负极为正相传输；当开关Q2、Q3处于导通状态时，开关Q1、Q4处于关断状态，半导体电路300中的正负极变为反相传输。两种状态下输出端320得到的电压正负极互为反向。由此，图2示意的半导体电路300实现了逆变功能。可以实现直流-交流的转换，或实现交流-直流的转换，实现功率变换功能。
从图1和图2可以看出，本申请提供的功率变换器在半导体电路200和半导体电路300中，均可以实现功率变换功能。也即，半导体电路200和半导体电路300因为分别设置了本申请提供的功率变换器，进而形成了功率变换电路。半导体电路200和半导体电路300因为具备了功率变换功能，其可以应用于太阳能逆变器、电动机驱动器、以及不间断供电电源等设备中。而第一功率半导体封装器件202、第二功率半导体封装器件203(图2中表现为功率半导体封装器件301)则作为半导体电路200(图2中表现为半导体电路300)的可控开关，用于实现其功率变换的功能。
图3示意了本申请提供的第一功率半导体封装器件202的具体结构。可以理解的，该具体结构也可以作为到图1所示第二功率半导体封装器件203、图2所示功率半导体封装器件301的具体结构。为了方便描述，下面仅以第一功率半导体封装器件202的具体结构为代表进行解释。该具体结构可以应用到本申请涉及的任意功率变换器中，并作为半导体电路中的任意一个或多个功率半导体封装器件使用。请一并结合图4示意的第一功率半导体封装器件202的分解图、图5示意的第一功率半导体封装器件202的截面示意图一并理解。
本申请第一功率半导体封装器件202包括功率半导体晶圆10、导热层20、密封件30、散热器40以及管脚50。其中功率半导体晶圆10、导热层20和散热器40依次沿第一方向001层叠设置，导热层20位于功率半导体晶圆10和散热器40之间。导热层20包括沿第一方向001相背的第一面21和第二面22。散热器40包括第一外表面41。功率半导体晶圆10贴合于第一面21，散热器40则贴合于第二面22。在一些实施例中，第二面22与散热器40之间还可以填充导热硅脂等材料，用于实现第二面22与散热器40的第一外表面41之间的良好接触。
功率半导体晶圆10用于实现第一功率半导体封装器件202的功能。其可以包括金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、二极管或三极管中的一者或多者。也即第一面21上可以贴合设置一个功率半导体晶圆10，也可以贴合置设多个功率半导体晶圆10。当第一面21上贴合设置有多个功率半导体晶圆10时，多个功率半导体晶圆10还可以为同一类型的功率半导体晶圆，或不同类型的功率半导体晶圆。多个功率半导体晶圆10相互配合以实现第一功率半导体封装器件202的功能。
散热器40用于实现功率半导体晶圆10的散热。散热器40的第一外表面41与导热层20的第二面22贴合，实现热量的有效传输。散热器40还可以在背离第一外表面41处设置多个散热鳍片42，用于增大散热面积。散热器40可以采用金属材料制作，以利用金属材料导热系数较高的特点，实现更好的散热效果。
导热层20用于实现功率半导体晶圆10的热量传递、以及功率半导体晶圆10与散热器40之间的电隔离功能。请配合参见图6所示的导热层20的分解示意图：在一种实现方式中，导热层20可以包括层叠的上导热层23、绝缘层24以及下导热层25。其中绝缘层24位于上导热层23和下导热层25之间。可以理解的，导热层20的第一面21位于上导热层23处，第二面22则位于下导热层25处。
上导热层23和下导热层25用于实现功率半导体晶圆10的热量传递功能，其材料可以为铝、含铝合金、铜或含铜合金。功率半导体晶圆10工作时所产生的热量可以先后通过上导热层23、绝缘层24以及下导热层25传递至散热器40上。上导热层23还可以具有导电能力，用于实现功率半导体10与管脚50之间的电连接。
绝缘层24则用于实现功率半导体晶圆10与散热器40之间的电隔离。可以理解的，当散热器40采用金属材料制作时，其具有导电性。通过绝缘层24的设置，可以防止功率半导体晶圆10与散热器40之间形成电导通。绝缘层24的材料可以采用陶瓷。
密封件30包裹于功率半导体晶圆10和至少部分导热层20的外部，用于实现功率半导体晶圆10和至少部分导热层20的密封防护，进而减少功率半导体晶圆10受机械应力、化学污染或光源辐照的影响，保证本申请第一功率半导体封装器件202的功能实现。密封件30的材料可以采用塑料、玻璃或陶瓷，密封件30同样需要具备绝缘性。在一些实施例中，密封件30对下导热层25包裹并仅露出第二面22，此时密封件30还与散热器40的第一外表面41接触。而在另一些实施例中，密封件30还可以对下导热层25仅部分包裹，也即密封件30与第一外表面41间隔设置。并且在这些实施例中，密封件30完全包裹功率半导体晶圆10、上导热层23和绝缘层24，从而可以对功率半导体晶圆10形成可靠的密封和防护效果。
管脚50用于实现功率半导体晶圆10与外部电路之间的电流传输或者信号传输，该电流可以为电源电流，该信号可以为电源信号。由此，管脚50需要与功率半导体晶圆10电连接。从图5可以看出，管脚50沿自身长度方向包括连接段51和延伸段52。其中连接段51同样包裹于密封件30之内，且连接段51用于与功率半导体晶圆10之间电连接。延伸段52位于连接段51背离功率半导体晶圆10的延伸方向上，并裸露于密封件30之外。
在本申请第一功率半导体封装器件202中，为了对功率半导体晶圆10实现更好的散热效果，散热器40的面积体积相较于功率半导体晶圆10的面积体积更大，其相较于密封件30的面积体积也更大。因此，裸露于密封件30之外的延伸段52沿第一方向001在散热器40上的投影，至少部分位于第一外表面41之内。也即至少部分延伸段52与第一外表面41之间，具有间隔距离D1；延伸段52与第一外表面41之间的最近距离，即间隔距离D1的最小值，需要大于功率半导体晶圆10的最高工作电压V1所对应的爬电距离，以避免管脚50与第一外表面41之间出现爬电现象。
本申请第一功率半导体封装器件202在工作过程中，功率半导体晶圆10具有最高工作电压V1。该最高工作电压V1经由管脚50，从外部电路传入或输出至外部电路。因此当管脚50承受最高工作电压V1时，若裸露于密封件30外的延伸段52与第一外表面41之间的距离过小，延伸段52与第一外表面41之间经由密封件30的表面，或者第一功率半导体封装器件202相连的其他外部电路的元器件表面出现爬电现象，进而影响到功率半导体晶圆10的正常工作。
而本申请第一功率半导体封装器件202通过将功率半导体晶圆10和导热层20共同收容于密封件30中，实现了功率半导体晶圆10与导热层20以及密封件30的集成化和小型化。在装配过程中只需要将导热层20的第二面22贴覆于散热器40的第一外表面41上即可，相对便捷。在一种实施例中，第一功率半导体封装器件202可以采用TO-247的标准进行封装。而在另一些实施例中，第一功率半导体封装器件202也可以采用TO-220的标准进行封装。
小型化的导热层20和功率半导体晶圆10可能存在厚度较低的现象。此时管脚50中的连接段51与功率半导体晶圆10之间的电连接，因为密封件30对连接段51的包裹形成防护，不易被击穿。但延伸段52裸露于密封件30之外。本申请第一功率半导体封装器件202基于功率半导体晶圆10的最高工作电压V1，来匹配设置延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1的高度，可以避免在功率半导体晶圆10于最高工作电压V1条件下工作时，延伸段52可能与散热器40之间经由密封件30的表面，或者第一功率半导体封装器件202相连的其他外部电路的元器件表面出现的爬电现象，进而提升了第一功率半导体封装器件202的安全性和可靠性，并保证本申请提供的功率变换器的正常工作。
需要提出的是，本申请第一功率半导体封装器件202并不对延伸段52的延伸路径作出限定。延伸段52可以如图5所示，沿平行于第一外表面41的方向延伸。此时只需要保证延伸段52与第一外表面41之间的间隔距离D1，大于功率半导体晶圆10的最高工作电源V1所对应的爬电距离即可。而在另一些实施例中，延伸段52也可以呈斜线延伸，或呈曲线(如波浪线)等方向延伸，此时需要保证延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1，大于功率半导体晶圆10的最高工作电源V1所对应的爬电距离。
在不同的使用场景中，功率半导体晶圆10的最高工作电压V1也各不相同。因此对于延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1的设置也存在差异。在一些实施例中，当功率半导体晶圆10的最高工作电压为400V时，可以设置延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1≥大4mm；当功率半导体晶圆10的最高工作电压为1000V时，可以设置延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1≥7mm。
在一种实现方式中，还可以通过如下公式设置延伸段52与第一外表面41之间的最近距离D1：
D1≥V1/200+2(mm)公式(1)；
需要提出的是，爬电现象的产生还与密封件30的表面以及第一功率半导体封装器件202相连的其他外部电路的元器件表面的污染程度和湿度相关，当密封件30的表面或其他外部电路的元器件表面的污染物或尘埃较多，或表面湿度较大时，其爬电距离会降低，出现爬电现象的几率也相应增加。在计算功率半导体晶圆10的最高工作电压V1所对应的爬电距离时，也可以结合第一功率半导体封装器件202的工作场景适当调整。
请参见图7示意的本申请第一功率半导体封装器件202局部截面示意图。管脚50的连接段51沿自身的长度方向具有相对的第一端511和第二端512。其中第一端511用于与功率半导体晶圆10电连接，第二端512则与延伸段52连通。在沿第一方向001的方向上，第一端511与第一外表面41之间的距离，小于第二端512与第一外表面41之间的距离。也即，第一端511和第二端512相对于第一外表面41形成高度差。
前述中提到，在实现小型化的第一功率半导体封装器件202中，功率半导体晶圆10与导热层20的厚度均相对较低。而为了保证延伸段52与第一外表面41之间的距离，需要将连接段51设置为弯折或倾斜的形状，以使得连接段51的第二端512高于第一端511。由此，延伸段52在与距离第一外表面41相对较高的第二端512导通后，能够保证其与第一外表面41之间的最近距离D1，大于预设的导体功率晶圆10的最高工作电压V1所对应的爬电距离。
请参见图8示意的一种实施例。在本实施例中，第一外表面41沿管脚50的延伸方向还包括第一区域411和第二区域412。其中第一区域411用于与导热层20的第二面22贴合还可以用于与至少部分塑封件30贴合。而第二区域412则位于密封件30的一侧，且延伸段52也相对于密封件30与第二区域412位于同一侧。也即，延伸段52在第一外表面41上的投影，位于第二区域412之内。延伸段52与第二区域412之间的距离，即为延伸段52与第一外表面41之间的距离。
在图8的实施例中，第二区域412处还贴覆了绝缘膜61。可以理解的，该绝缘膜61位于延伸段52与第一外表面41之间。绝缘膜61自身具有绝缘功能，其设置于延伸段52与第一外表面41之间时，延伸段52与散热器40之间经由元器件表面的距离，从经由密封件30表面，增加为经由密封件30的表面和绝缘膜61的表面，进而防止延伸段52与散热器40之间爬电现象的产生。
而在图9的实施例中，还对延伸段52进行了灌胶处理，以至少在延伸段52与第二区域412之间形成灌胶结构62。可以理解的，灌胶结构62自身也具有绝缘功能，其设置于延伸段52与第二区域412之间时，可以有效降低密封件30的表面以及第一功率半导体封装器件202相连的其他外部电路的元器件表面受污染、灰尘、湿气等的影响，也能起到与绝缘膜61类似的防止爬电现象产生的效果。在图9的示意中，灌胶结构62还对延伸段52整体进行了包裹，即延伸段52背离第一外表面41一侧也被灌胶结构62包裹，灌胶结构62可以对延伸段52形成防护。
在图10的实施例中，密封件30还设置了延长部31，延长部31沿延伸段52的路径延伸，进而对延伸段52形成包裹防护。密封件30具有绝缘功能，因此延长部31在延伸段52与第一外表面41之间也形成了更好的绝缘效果。与绝缘膜61和灌胶结构62的功能类似，延长部31也能起到进一步防止爬电现象产生的效果。可以理解的，延长部31的材料与密封件30的材料相同，二者可以分别制作后装配成形，也可以采用一体成型的方式制作。
在另一些实施例中，还可以设置第一外表面41为异面结构，如阶梯结构(如图11所示)、斜面结构等，以使得在沿第一方向001的方向上，第二区域412与第一区域411也形成高度差，且第一区域411的高度更高，也即第一区域411相较于第二区域412更靠近延伸段52。前述中提到，延伸段52与第二区域412之间的距离，即为延伸段52与第一外表面41之间的最近距离。因此在设置第一区域411与第二区域412形成高度差之后，更有利于控制延伸段52与第一外表面41之间的距离D1。由此可以加高延伸段52与第一外表面41之间的间隔距离，提升本申请第一功率半导体封装器件202的可靠性；或在保持该安全的间隔距离前提下，缩小密封件30的厚度，进一步实现本申请第一功率半导体封装器件202的小型化。在图11的示意中，连接段51沿平行于第一区域411的方向延伸，延伸段52则沿平行于第二区域412的方向延伸，密封件30的高度得以相应调低，第一功率半导体封装器件202的整体厚度也得到缩减。
可以理解的，在图8-图10中的绝缘膜61、灌胶结构62和延长部32等结构，都在延伸段52与第一外表面41之间形成了绝缘件的结构，因此其实现的效果也趋于一致。图11的结构通过设置第一区域411和第二区域412之间的高度差，也达到了保证延伸段52与第一外表面41之间的安全距离的效果。而在一些实施例中，绝缘件的结构与第一区域411和第二区域412之间的高度差还可以结合实施。例如图12的示意，在设置第一区域411和第二区域412之间具有高度差的基础上，还对延伸段52进行灌胶，进而使得该高度差可以配合灌胶结构62共同对延伸段52形成保护，以避免延伸段52与第二区域412之间出现爬电现象。
请看回图7的示意。在图7的实现方式中，管脚50还与导热层20固定连接，以实现管脚50与功率半导体晶圆10之间的电连接。具体的，管脚50中连接段51的第一端511与上导热层23固定连接，以实现管脚50与导热层20的固定连接。同时，因为功率半导体晶圆10也贴合于上导热层23上。上导热层23具有导电能力，用于实现连接段51与功率半导体晶圆10之间的可靠导通。
通过图1和图2的示意可以看到，第一功率半导体封装器件202在与外部电路连接时，其至少具有两个端口，以使得电流可以从一个端口进入第一功率半导体封装器件202中，经由功率半导体晶圆10，再从另一个端口传出。由此，本申请第一功率半导体封装器件202中管脚50的数量，需要设置为两个或两个以上，且相互隔离设置。而为了实现不同管脚50与功率半导体晶圆10之间的电连接，导通于管脚50与功率半导体晶圆10之间的上导热层23，也需要区分为两个或两个以上相互隔离的导热区231。每一个导热区231对应导通一个管脚50，以实现各个管脚50与功率半导体晶圆10之间的电连接以及电流传输或信号传输功能。
请参见图13示意的一种第一功率半导体封装器件202的内部平面结构。在本实施例中，功率半导体晶圆10采用绝缘栅双极型晶体管实现。该绝缘栅双极型晶体管具有门极11、集电极12以及发射极13共三个功能端口。其中门极11与发射极13均位于功率半导体晶圆10背离上导热层23一侧的表面上，集电极12则位于功率半导体晶圆10与上导热层23贴合的一侧表面上，在图示的实施例中，功率半导体晶圆10与上导热层23贴合并电连接的整面，作为集电极12使用。
相对应的，管脚50的数量也设置为三个。同时，上导热层23则划分出第一导热区231a、第二导热区231b和第三导热区231c。三个导热区231之间两两相互隔离，以使得三个导热区231之间相互绝缘。其中功率半导体晶圆10贴合于第二导热区231b上，并使得集电极12与第二导热区231b导通。第一导热区231a和第三导热区231c则分列第二导热区231b的相对两侧。可以理解的，在其余实施例中，功率半导体晶圆10也可以贴合于第一导热区231a或第三导热区231c上。或，在另一些实施例中，第一导热区231a和第三导热区231c也可以位于第二导热区231b的同一侧。具体功率半导体晶圆10的位置设置，以及各个导热区231之间的位置设置，可以基于实际的场景或功能需求任意设置。
在本实施例中，第一功率半导体封装器件202还包括连接线70。连接线70的数量也为两根或两根以上(在图13的示意中连接线70的数量为7根)。连接线70用于实现功率半导体晶圆10分别与第一导热区231a和第三导热区231c之间的电连接。具体的，连接线70分别与功率半导体晶圆10背离上导热层23的表面上的门极11和发射极13固定连接，再分别朝向第一导热区231a和第三导热区231c延伸并固定连接，以使得第一导热区231a与门极11导通，第三导热区231c则与发射极13导通。
而在图14所示意的第一功率半导体封装器件202的内部平面结构中，则设置了两个功率半导体晶圆10：第一功率半导体晶圆10a和第二功率半导体晶圆10b。其中第一功率半导体晶圆10a也可以为绝缘栅双极型晶体管，其同样具有门极11、集电极12以及发射极13共三个功能端口。相对应的，管脚50的数量也设置为三个，且上导热层23也划分出第一导热区231a、第二导热区231b和第三导热区231c。功率半导体晶圆10也贴合于第二导热区231b上，连接线70也分别导通于门极11与第一导热区231a之间，以及发射极13与第三导热区231c之间。三个管脚50则分别与第一导热区231a、第二导热区231b以及第三导热区231c固定连接，从而分别实现绝缘栅双极型晶体管的门极11、集电极12以及发射极13各自与外部电路的电流传输或信号传输功能。
第二功率半导体晶圆10b则可以为二极管。第二功率半导体晶圆10b也同样贴合于第二导热区231b处，二极管可以包括阳极14和阴极15。其中阴极15位于第二功率半导体晶圆10b与上导热层23贴合的一侧，并与第二导热层231b导通。在图示的示意中，第二功率半导体晶圆10b与上导热层23贴合并电连接的整面，作为阴极15使用；阳极24则位于第二功率半导体晶圆10b背离上导热层23一侧。连接线70固定连接于第二功率半导体晶圆10b与第一功率半导体晶圆10a之间，以使得第一功率半导体晶圆10a与第二功率半导体晶圆10b导通。具体的，二极管具有单向导通功能，连接线70连接于阳极14与发射极13之间，以在第一功率半导体晶圆10a中的电压反向时正向导通第二功率半导体晶圆10b，也即二极管，避免因为反向电压过高而可能造成第一功率半导体晶圆10a损害的现象。
图15示意了另一种本申请第一功率半导体封装器件202的内部平面结构。在图15的示意中，同样设置了第一功率半导体晶圆10a和第二功率半导体晶圆10b。其中第一功率半导体晶圆10a也可以为绝缘栅双极型晶体管，第二功率半导体晶圆10b也可以为二极管。且在图15的示意中，第一功率半导体晶圆10a和第二功率半导体晶圆10b则位于第一导热区231a上。连接线70则分别连接于第一功率半导体晶圆10a和第二导热区231b之间、第一功率半导体晶圆10a和第三导热区231c之间、以及第二功率半导体晶圆10b和第二导热区231b之间。进一步的，在图15的示意中，在第三导热区231c与第二导热区231b之间，还隔离设置了第四导热区231d。第一功率半导体晶圆10a上的发射极13通过一根或多根单独的连接线70导通至第四导热区231d上，并通过与第四导热区231d固定的管脚50与外部电路导通。在本实施例中，功率半导体晶圆10a采用了开尔文接法(Kelvin connections)，第四导热区231d的传输路径上无功率电流经过，以消除半导体电路200中因功率电流而对功率半导体晶圆驱动产生的影响。
请参见图16，在本申请第一功率半导体封装器件202中，连接线70还可以分为第一段71和第二段72，上导热层23内还可以设置中间导热区2311。第一段71和第二段72通过中间导热区2311桥接，以实现连接线70的电流传输或信号传输功能。也即，在本申请第一功率半导体封装器件202中，导热区231的数量还可以大于管脚50的数量。如图16所示，因为功率半导体晶圆10与管脚50之间的距离较远，如果完全由连接线70来实现功率半导体晶圆10与管脚50之间的电连接功能，连接线70的传输路径较长，容易受到干扰。或者，在一些功率半导体晶圆10的数量较多的封装器件中，连接线70的数量也相应增多，也不利于连接线70的排列和布置。
而在功率半导体晶圆10与管脚50之间设置中间导热区2311，并使其桥接于第一段71和第二段72之间，可以缩短连接线70的整体长度，保证传输电流和信号的质量，并同时利于连接线70的有序排布，避免连接线70出现装配错误。
以上描述，仅为本申请的具体实施例，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，例如减少或添加结构件，改变结构件的形状等，都应涵盖在本申请的保护范围之内；在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种功率半导体封装器件，其特征在于，包括：
功率半导体晶圆；
导热层，包括层叠的上导热层、绝缘层和下导热层；所述绝缘层位于所述上导热层和所述下导热层之间；所述上导热层与所述功率半导体晶圆贴合；
散热器，包括第一外表面，所述第一外表面与所述下导热层贴合；
密封件，用于包裹和密封所述功率半导体晶圆、以及至少部分所述导热层；
管脚，包括连接段和延伸段，所述连接段与所述功率半导体晶圆电连接，并同样包裹于所述密封件内；所述延伸段位于所述密封件之外，延伸段在散热器上的投影，至少部分位于第一外表面之内，且所述延伸段与所述第一外表面之间的最近距离，大于所述功率半导体晶圆的最高工作电压所对应的爬电距离。
2.根据权利要求1所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述连接段沿自身长度方向具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述功率半导体晶圆电连接，所述第二端与所述延伸段连接，且所述第一端与所述第一外表面之间的距离，小于所述第二端与所述第一外表面之间的距离。
3.根据权利要求1所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述管脚与所述上导热层固定连接，以实现所述管脚与所述功率半导体晶圆之间的电连接。
4.根据权利要求3所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述功率半导体晶圆包括第一功能端口，所述第一功能端口位于所述功率半导体晶圆靠近所述上导热层一侧，所述第一功能端口通过所述上导热层与所述管脚电连接。
5.根据权利要求4所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述功率半导体晶圆还包括第二功能端口，所述上导热层包括相互隔离的第一导热区和第二导热区，所述管脚的数量为两个，所述第一功能端口通过所述第一导热区与一个所述管脚导通，所述第二功能端口通过所述第二导热区与另一个所述管脚导通。
6.根据权利要求5所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述功率半导体封装器件包括连接线，所述连接线连接于所述第二功能端口与所述第二导热区之间，以实现所述第二功能端口与固定于所述第二导热区上的所述管脚之间的电连接。
7.根据权利要求6所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述连接线包括第一段和第二段，所述上导热层还包括中间导热区，所述第一段连接于所述第二功能端口与所述中间导热区之间，所述第二段连接于所述中间导热区与所述第二导热区之间。
8.根据权利要求1-7任一项所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述功率半导体封装器件还包括绝缘件，所述绝缘件位于所述第一外表面与所述延伸段之间。
9.根据权利要求1-7任一项所述的功率半导体封装器件，其特征在于，所述第一外表面包括第一区域和第二区域，所述下导热层于所述第一区域与所述第一外表面贴合，所述延伸段在所述第一外表面上的投影位于所述第二区域之内；在所述功率半导体晶圆与所述导热层层叠的方向上，所述延伸段与所述第一区域之间的距离，小于所述延伸段与所述第二区域之间的距离。
10.一种功率变换器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-9任一项所述的功率半导体封装器件，以及一个控制器，所述控制器用于控制所述至少一个功率半导体封装器件的导通和关断以进行功率变换。
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