CN114450784A - 功率半导体构件以及用于制造功率半导体构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率半导体构件（1），具有：至少一个布置在壳体（4）之内的功率半导体构造元件（2），其中，具有面积a的冷却体（6）暴露在所述壳体（4）的第一表面（5）上；具有第一主表面（12）和第二主表面（14）的布线基板（10），其中，在所述第二主表面（14）上布置具有经提升的热传导能力的散热区（16），其中，所述散热区（16）在所述第二主表面（14）上具有面积A；其中适用a<A且带有功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）在所述布线基板（10）的第二主表面（14）上被布置成，使所述冷却体（6）被完全布置在所述散热区（16）上且与之经由焊料层（20）连接。

Description

功率半导体构件以及用于制造功率半导体构件的方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体构件以及用于制造功率半导体构件的方法，该功率半导体构件具有布置在壳体之内的功率半导体构造元件。
背景技术
功率半导体构造元件例如MOSFET被布置在壳体中、典型地被布置在塑料壳体中，具有暴露在壳体外侧上的例如由铜制成的冷却面，其中，存在一系列不同的壳体构造形式，例如D2PAK、DPAK、TO220等。构造元件在有些情况下被构造为可表面安装的构造元件且在有些情况下被构造为可插入式安装的构造元件。这些构造元件典型地具有至少两个联接引脚，这些联接引脚从塑料壳体中引出且可与布线基板的接口连接。
因为具有这样的功率半导体构造元件的功率半导体构件在运行中放出高热量，高效地散发这些热量是特别的挑战。典型地，热量经由布线基板散发，被封装的功率半导体构造元件被布置在该布线基板上。布线基板为此例如可以具有热钻孔（过孔，Vias）。
在一些较新的应用、例如在电动车辆中使用的充电设备中，产生非常高的功率损失，因此冷却变得特别重要。在这样的应用中部分地由于电绝缘规定也无法使用热钻孔。这样的构件例如从JP 2018-120 991 A中已知。
JP 2014-229 804 A公开了一种功率半导体模块，在该功率半导体模块中，功率半导体构造元件连同其冷却体被焊接在布线基板的金属覆层上。由金属构造成的壳体部分经由由热传导材料制成的层接触该金属覆层，使得热量可以被散发到壳体上。
发明内容
本发明的任务在于给出一种功率半导体构件，该功率半导体构件特别有效地散发通过功率半导体构造元件放出的热量。还应给出用于制造这样的功率半导体构件的方法。
该任务通过独立权利要求的技术方案得以解决。有利的实施方式和改进是从属权利要求的技术方案。
根据本发明的一方面，给出一种功率半导体构件，该功率半导体构件具有至少一个布置在壳体之内的功率半导体构造元件，其中，具有面积a的冷却体暴露在壳体的第一表面上。壳体尤其是塑料壳体。冷却体尤其由金属构造。壳体例如可以基本上具有长方体形状。
功率半导体构件还具有布线基板，该布线基板具有第一主表面和第二主表面，其中，在第二主表面上布置具有经提升的热传导能力的散热区，其中，散热区在第二主表面上具有面积A。布线基板尤其可以是导体电路板，例如是PCB基板，也就是印刷导体电路板。散热区尤其可以由铜或铜合金构造。例如散热区由导体电路板的铜层的分段构成，例如由铜层的布置在导体电路板主面上的铜面构成。
冷却体的面积a小于散热区的面积A。尤其适用a<0.75A，尤其a<0.5A，也就是A的大小可以是a的两倍以上。
带有半导体构造元件的壳体在布线基板的第二主表面上被布置成，使冷却体被完全布置在散热区上且经由焊料层与散热区连接。在一有利的设计中，焊料层有利地在散热区中不仅被布置在安装区之内也被布置在其之外，该安装区在形状和尺寸上与待施加的壳体的第一表面相对应。
相应地，布线基板上的散热区侧向伸出到冷却体的面外。散热区相应地大于用于施加带有功率半导体构造元件的壳体及用于电联接和热联接所需的面积。
功率半导体构件具有以下优点：通过增大的散热区，布线基板上的热传导好的材料、尤其铜的质量被大大提高。该质量尤其可以提高一倍以上。以这样的方式不仅使热量有效地从功率半导体构造元件中散发，还发生有效的热量扩散，因为热量可以被侧向地散发到散热区的所有部分且在那里再放出到环境中。以这样的方式特别有效地进行功率半导体构造元件的散热。
除了更大的面积之外，也可以增大散热区的厚度。典型地，在标准导体电路板技术中每层可供使用最大70微米、部分地也直至105微米或直至201微米的铜。针对散热区可以完全充分利用该最大厚度，以最大化热传导的质量。
除此之外，散热区的大量热传导能力好的材料是一种缓冲，用以吸收功率半导体构造元件短时间的功率峰值，该短时间的功率峰值造成短时间的温度升高。
根据一实施方式，构成散热区的材料、尤其铜或铜合金被嵌入到由塑料材料制成的基体中且散热区的表面在此优选与布线基板的其余表面共面。替代地，散热区也可以平贴在布线基板的表面上。
根据一实施方式，冷却体的附加区域暴露在壳体的侧面上且利用由热传导材料制成的散热质量体遮盖。
壳体的侧面这里在下文中被理解为壳体的垂直于第一表面布置的外表面。这样的侧面在安装状态下不直接与布线基板接触。通过将附加散热质量体施加到冷却体的额外暴露出的区域上，散热被更进一步改善。
通常，冷却体不仅暴露在侧面上，甚至还从壳体中伸出且因此从侧面突出。在这种情况下，整个伸出的区域可以利用散热质量体来遮盖。
构成散热质量体的材料尤其可以是焊料或银传导黏合剂。这些材料是半导体技术中本来就可供使用的材料，这些材料容易处理、可以良好地作为散热质量体被施加且具有良好的热传导能力。
根据本发明一其他的方面，给出用于制造所述功率半导体构件的方法，其中，该方法具有：提供至少一个布置在壳体之内的功率半导体构造元件，其中，冷却体暴露在壳体的第一表面上，其中，冷却体在第一表面上具有面积a。
该方法还包括：提供布线基板，该布线基板具有第一主表面和第二主表面，其中，在第二主表面上布置具有经提升的热传导能力的散热区，其中，散热区在第二主表面上具有面积A，其中，适用a<A。
该方法还包括：将阻焊剂在散热区中施加到布线基板上，其中，阻焊剂限界一安装区，该安装区用于接纳具有功率半导体构造元件的壳体。在此，安装区在形状和尺寸上与待施加的壳体的第一表面相对应。
接下来进行焊料层到散热区上的施加以及带有功率半导体构造元件的壳体在安装区中的焊接。为了提高热传导能力好的材料的量，焊料层在此不仅被施加在安装区之内还被施加在其之外，从而在由阻焊剂制成的限界部的两侧被施加，其中，安装区之外的焊料仅用于热量散发和热量扩散，不用于壳体的固定。
由阻焊剂制成的其他区域可以在布线基板上被设置在散热区中或者在其之外，如其从现有技术中已知。
焊料层尤其可以被压印到散热区上。
阻焊剂层的任务在于，防止带有功率半导体构造元件的壳体在焊接期间游动。阻焊剂层相应地在焊接期间将壳体固定。
焊料层具有基本上与散热区一样的尺寸。焊料层可以稍微较小，用以防止焊料流动到散热区之外的区域中。焊料层相应地则具有面积B，该面积明显大于a且近似和A一样大。
根据本发明的一方面，用于制造所述功率半导体构造元件的方法具有：提供至少一个布置在壳体之内的功率半导体构造元件，其中，冷却体暴露在壳体的第一表面上，其中，冷却体在第一表面上具有面积a。该方法还包括：提供布线基板，该布线基板具有第一主表面和第二主表面，其中，在第二主表面上布置具有经提升的热传导能力的散热区，其中，散热区在第二主表面上具有面积A，其中，适用a<A。
该方法还包括：在散热区中借助于SMD黏合剂带有功率半导体构造元件的壳体施加到布线基板上且在散热区中施加焊料层到布线基板上。
SMD黏合剂在此被理解为用于固定可表面安装构件（表面贴装器件，surfacemount devices）的黏合剂。这些黏合剂例如可以是基于环氧树脂的有电传导能力的黏合剂，对于本领域技术人员来说原则上是已知的且因此在这一点上不予以详述。
在带有功率半导体构造元件的壳体在安装区中接下来的焊接期间，SMD黏合剂在此用于固定带有功率半导体构造元件的壳体。
根据一实施方式，在带有功率半导体构造元件的壳体焊接之后，冷却体的暴露在壳体侧面上的附加区域在壳体被施加到布线基板上之后利用由热传导材料制成的散热质量体遮盖。
散热质量体在此可以在带有功率半导体构造元件的壳体的焊接之前或之后被施加。它尤其可以由焊料材料或热传导黏合剂例如银黏合剂组成。
附图说明
在下文中借助于示意图示例性地描述本发明的实施方式。其中：
图1示出根据本发明一实施方式的功率半导体构件的横截面示意图；
图2示出根据图1的功率半导体构件的俯视示意图和
图3示出用于根据图1和2的功率半导体构件的布线基板在带有功率半导体构造元件的壳体被施加之前的示意图。
具体实施方式
根据图1的功率半导体构件1具有功率半导体构造元件2，在图1中仅示出该功率半导体构造元件的塑料壳体4以及从塑料壳体4中伸出的联接引脚24以及暴露在壳体4的第一表面5上的冷却体6。功率半导体构造元件2除此之外具有至少一个功率半导体芯片，例如MOSFET，该至少一个功率半导体芯片与冷却体6热学上连接且可能地也电连接。功率半导体构造元件2经由联接引脚24且可能地经由冷却体6被接触。
示出的实施方式是可表面安装的功率半导体构造元件2。然而替代地也可以是可插入式安装的功率半导体构造元件。
功率半导体构件1还具有布线基板10，该布线基板在示出的实施方式中被构造为PCB基板且具有第一主表面12和与之相对置的第二主表面14。布线基板10具有基本上由塑料制成的基体，用于联接引脚24的接触联接面18、未示出的导体轨道以及由铜制成的散热区16被嵌入到该基体中。散热区16暴露在布线基板10的第二主表面14上且被设置用于接纳功率半导体构造元件2。
不仅在散热区16上、也在接触联接面8上施加焊料层20，用于将功率半导体构造元件2与布线基板10电连接和机械连接。功率半导体构造元件2、尤其冷却体6与散热区16经由焊料层20电传导和热传导地连接。联接引脚24与接触联接面18经由焊料层20电传导和热传导地连接。
冷却体6的区域8同样地暴露在壳体4的侧面7上且在所述的实施方式中伸出到壳体4外。该区域8被由银黏合剂制成的散热质量体22遮盖。替代地，也可以使用焊料材料或者另外的热传导好的材料作为散热质量体22。
图2示出功率半导体构件1的俯视图。在该视图中可以看到，散热区16和焊料层20具有明显大于壳体4或者说图2中不可见的冷却体6的平面尺寸。在示出的实施方式中，散热区16的面积A的大小是冷却体6的暴露在壳体4的第一表面5上的面积a的两倍以上。
如图2中可以看到，散热区16以及布置在其上的焊料层20因此侧向地显著伸出到壳体4外。在图2中示出的实施方式中散热区和焊料层在所有侧面上都伸出到壳体4外。
散热区16的铜材料以及焊料层20的焊料材料与侧向同样伸出到冷却体6的区域8外的散热质量体22一起构成经提高的热质量体，该经提高的热质量体不仅可以缓冲由于功率峰值引起的短时间的温度升高，还因为其大的空间尺寸可以实现良好的热量扩散。
图3示出用于功率半导体构件2的布线基板10在壳体4被施加之前的俯视图。在散热区16的表面上限定一安装区28，该安装区在形状和尺寸上与壳体4的第一表面5相对应且被设置用于接纳壳体4。
安装区28在图3中示出的实施方式中通过阻焊剂隔条26被限界。在施加焊料层20之前，阻焊剂隔条26被涂覆到散热区16的表面上。接下来在阻焊剂隔条26之内和之外、也就是不仅在安装区28中也在其之外施加、例如压印焊料层20。阻焊剂隔条26防止壳体4在焊接期间在液态的焊料上游动。
在示出的实施方式中阻焊剂隔条26被构造成连贯的。然而它也可以被构造成中断的或者由多个、彼此间隔开的阻焊剂点构造。

Claims (11)

1.功率半导体构件（1），具有：
至少一个布置在壳体（4）之内的功率半导体构造元件（2），其中，具有面积a的冷却体（6）暴露在所述壳体（4）的第一表面（5）上；
具有第一主表面（12）和第二主表面（14）的布线基板（10），其中，在所述第二主表面（14）上布置具有经提升的热传导能力的散热区（16），其中，所述散热区（16）在所述第二主表面（14）上具有面积A；
其中，适用a<A且带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）在所述布线基板（10）的第二主表面（14）上被布置成，使所述冷却体（6）被完全布置在所述散热区（16）上且与所述散热区经由焊料层（20）连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体构件（1），
其中，所述焊料层（20）在所述散热区（16）中不仅被布置在安装区（28）之内还被布置在安装区之外，所述安装区在形状和尺寸上与待施加的壳体（4）的第一表面相对应。
3.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体构件（1），
其中，所述散热区（16）由铜或者铜合金构造。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体构件（1），
其中，构成所述散热区（16）的材料被嵌入到由塑料材料制成的基体中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体构件（1），
所述功率半导体构件是导体电路板组件，其中，所述布线基板（10）是印刷导体电路板且所述散热区（16）由导体电路板的铜层的分段构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体构件（1），
其中，所述冷却体（6）的附加区域（8）暴露在所述壳体（4）的侧面（7）上且利用由热传导材料制成的散热质量体（16）遮盖。
7.根据前一权利要求所述的功率半导体构件（1），
其中，构成所述散热质量体（16）的材料为焊料。
8.根据权利要求6所述的功率半导体构件（1），
其中，构成所述散热质量体（16）的材料为银传导黏合剂。
9.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体构件（1）的方法，具有以下步骤：
提供至少一个布置在壳体（4）之内的功率半导体构造元件（2），其中，冷却体（6）暴露在所述壳体（4）的第一表面（5）上，其中，所述冷却体（6）在所述第一表面（5）上具有面积a；
提供具有第一主表面（12）和第二主表面（14）的布线基板（10），其中，在所述第二主表面（14）上布置具有经提升的热传导能力的散热区（16），其中，所述散热区（16）在所述第二主表面（14）上具有面积A，其中适用a<A，且其中，在所述散热区（16）中施加阻焊剂，所述阻焊剂限界安装区，所述安装区用于接纳带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）；
在所述散热区（16）中施加焊料层（20）到所述布线基板（10）上，
在所述安装区中焊接带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）。
10.用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的功率半导体构件（1）的方法，具有以下步骤：
提供至少一个布置在壳体（4）之内的功率半导体构造元件（2），其中，冷却体（6）暴露在所述壳体（4）的第一表面（5）上，其中，所述冷却体（6）在所述第一表面（5）上具有面积a；
提供具有第一主表面（12）和第二主表面（14）的布线基板（10），其中，在所述第二主表面（14）上布置具有经提升的热传导能力的散热区（16），其中，所述散热区（16）在所述第二主表面（14）上具有面积A，其中适用a<A；
在所述散热区（16）中借助于SMD黏合剂将带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）施加到所述布线基板（10）上且在所述散热区（16）中施加焊料层（20）到所述布线基板（10）上，
在安装区中焊接带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
其中，在带有所述功率半导体构造元件（2）的所述壳体（4）被施加后，所述冷却体（6）的暴露在所述壳体（4）的侧面（7）上的附加区域（8）利用由热传导材料制成的散热质量体（22）遮盖。
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