CN115763409A - 芯片电极引出结构及其封装结构、功率半导体器件模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了芯片电极引出结构及其封装结构、功率半导体器件模块，芯片电极引出结构包括：第一源极模块的第一侧面、第二源极模块的第一侧面、栅极模块的第一侧面、功率芯片的漏极均固定至漏极金属板的第一侧面上；第一源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为开尔文源极；第二源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为功率回路源极；栅极模块的第二侧面与功率芯片的栅极连接并引出。本发明实施例将功率芯片的三个电极引出，从而在后续的压接式封装中，在功率芯片不直接承受压力的同时，实现了压接式封装和短路失效。

Description

芯片电极引出结构及其封装结构、功率半导体器件模块

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及芯片电极引出结构及其封装结构、功率半导体器件模块。

背景技术

压接式功率半导体器件是柔性直流输电装备的关键部件，相比于传统焊接型器件具有结构紧凑、短路失效、双面散热、可靠性高等优点，其中短路失效模式能够让器件在大规模串联应用时，不会因为部分器件的失效，造成整个系统的开路和瘫痪，短路失效模式对于提升系统可靠性具有重要意义。于此同时，以碳化硅为代表的宽禁带半导体器件由于其高电压、高功率密度、高工作温度而备受关注。结合碳化硅器件以及压接式封装的优势，制备具备短路失效模式的高压大功率碳化硅器件将极大程度上有助于实现电网技术的革新。

压接式器件工作时需要通过夹具施加一定压力以减小接触电阻与接触热阻，进而保证各层封装材料间的良好接触。同时，为了使多芯片间电-热-力分布均匀，需要对内部各种封装材料进行精准匹配，减少封装材料的尺寸公差；另一方面，对于目前商业化碳化硅芯片，其版图设计以及表面金属工艺等，兼容了焊接式器件中的键合工艺，对于芯片直接承受压力的压接式封装，尚需要进行芯片的定制化开发。

现有技术中针对功率半导体器件的封装结构存在的不足之处主要有：

1、目前商业化的碳化硅器件以焊接式器件为主，其失效模式为开路失效，不能完全满足电网装置对高压大功率器件串联规模应用的需求。

2、目前碳化硅芯片的结构设计，工艺路线等决定了芯片不适用于直接承受压力，需要针对压接式封装，进行碳化硅芯片的定制化开发，同时碳化硅芯片特性受压力影响的规律尚且需要进一步研究。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中以碳化硅为宽禁带半导体器件难以实现压接封装短路失效的问题，从而提供芯片电极引出结构及其封装结构、功率半导体器件模块。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种芯片电极引出结构，包括：漏极金属板、第一源极模块、第二源极模块、栅极模块及至少一个功率芯片，其中，第一源极模块的第一侧面、第二源极模块的第一侧面、栅极模块的第一侧面、功率芯片的漏极均固定至漏极金属板的第一侧面上；第一源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为开尔文源极；第二源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为功率回路源极；栅极模块的第二侧面与功率芯片的栅极连接并引出。

在一实施例中，功率芯片的第一侧面上布置功率芯片的漏极，功率芯片的第二侧面上布置功率芯片的栅极及源极；功率芯片的第一侧面固定至漏极金属板的第一侧面上。

在一实施例中，第一源极模块包括：第一基板及第一碟簧组件；第一基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，第一基板的第一侧面固定至漏极金属板的第一侧面上，第一基板的第二侧面连接功率芯片的源极；第一碟簧组件的下端固定至第一基板的第二侧面，第一碟簧组件的上端引出功率芯片的源极。

在一实施例中，第二源极模块包括：第二基板及第二碟簧组件；第二基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，第二基板的第一侧面固定至漏极金属板的第一侧面上，第二基板的第二侧面连接功率芯片的源极；第二碟簧组件的下端固定至第二基板的第二侧面，第二碟簧组件的上端引出功率芯片的源极。

在一实施例中，栅极模块包括：第三基板及栅极探针；第三基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，第三基板的第一侧面固定至漏极金属板的第一侧面上，第三基板的第二侧面连接功率芯片的栅极；栅极探针的下端固定至第三基板的第二侧面，栅极探针的上端引出功率芯片的栅极。

在一实施例中，芯片电极引出结构还包括：键合线；功率芯片的源极通过键合线固定至第一基板的第二侧面上；功率芯片的栅极通过键合线固定至第三基板上。

在一实施例中，芯片电极引出结构还包括：第一金属件及第二金属件；第一金属件的第一侧面固定至功率芯片的源极上；第二金属件的一端固定至第一金属件的第二侧面上，第二金属件的另一端固定至第二基板的第二侧面上。

第二方面，本发明实施例提供一种芯片电极引出结构的封装结构，包括：至少一个子单元；每个子单元均包括：第一方面的芯片电极引出结构及子单元框架；芯片电极引出结构置于子单元框架内部。

在一实施例中，芯片电极引出结构的封装结构还包括：源极金属板、驱动回路PCB板、外壳，其中，源极金属板作为外壳的底部；外壳内部设置空腔，外壳上不封顶，外壳的任一侧面开设缺口；子单元及驱动回路PCB板置于空腔内；驱动回路PCB板固定至源极金属板的第一侧面上，驱动回路PCB板设置源极区、栅极区，驱动回路PCB板的源极区、栅极区延伸至缺口外；第一碟簧组件的上端与驱动回路PCB板的源极区连接，第二碟簧组件的上端与漏极金属板的第一侧面连接，栅极探针的上端与驱动回路PCB板的栅极区连接。

在一实施例中，驱动回路PCB板包括：层叠设置的第一绝缘层、第一铜层、第二绝缘层及第二铜层，第一绝缘层固定至源极金属板的第一侧面上，第二碟簧组件的上端连接至源极金属板的第一侧面上；第一铜层上设置第一通孔、第二绝缘层上设置第二通孔，第一通孔与第二通孔对齐设置；第一铜层、第二铜层的一端设置有凸出部，凸出部从外壳的缺口处向外延伸；第一碟簧组件的上端连接第二通孔，栅极探针的上端连接至第二铜层。

第三方面，本发明提供一种功率半导体器件模块，包括：多个第二方面的芯片电极引出结构的封装结构；每个芯片电极引出结构的封装结构均设置于PCB板上，每个芯片电极引出结构的封装结构的栅极由PCB板上的线路各自引出并联。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的芯片电极引出结构，第一源极模块的第一侧面、第二源极模块的第一侧面、栅极模块的第一侧面、功率芯片的漏极均固定至漏极金属板的第一侧面上；第一源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为开尔文源极；第二源极模块的第二侧面与功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为功率回路源极；栅极模块的第二侧面与功率芯片的栅极连接并引出。本发明实施例将功率芯片的三个电极引出，从而在后续的压接式封装中，在功率芯片不直接承受压力的同时，实现了压接式封装和短路失效。

2.本发明提供的芯片电极引出结构的封装结构，功率半导体芯片通过钼片、金属电极或者柔性金属带引出，并配合弹性组件，实现器件压接封装、短路失效的同时，芯片本身不直接承受压力，满足了高压大功率器件规模串联的应用需求，同时短路失效模式提高了系统应用可靠性。

3.本发明提供的芯片电极引出结构的封装结构，将功率芯片的源极通过键合线、第一基板、第一碟簧组件最终引出至驱动回路PCB(2)的第一铜层，作为开尔文源极，有效降低了驱动回路和功率回路的耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的芯片电极引出结构的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的功率芯片电极结构分布图；

图3(a)为本发明实施例提供的芯片电极引出结构的侧视图；

图3(b)为本发明实施例提供的芯片电极引出结构的俯视图；

图4为本发明实施例提供的芯片电极等效电路图；

图5为本发明实施例提供的子单元框架的外观图；

图6为本发明实施例提供的封装结构外观图；

图7为本发明实施例提供的外壳的外观图；

图8(a)为本发明实施例提供的驱动回路PCB正面图；

图8(b)为本发明实施例提供的驱动回路PCB背面图；

图9为本发明实施例提供的功率半导体器件模块的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种芯片电极引出结构，如图1所示，包括：漏极金属板11、第一源极模块12、第二源极模块13、栅极模块14及至少一个功率芯片15。

进一步地，第一源极模块12的第一侧面、第二源极模块13的第一侧面、栅极模块14的第一侧面、功率芯片15的漏极均固定至漏极金属板11的第一侧面上；第一源极模块12的第二侧面与功率芯片15的源极连接并引出，将引出的电极作为开尔文源极；第二源极模块13的第二侧面与功率芯片15的源极连接并引出，将引出的电极作为功率回路源极；栅极模块14的第二侧面与功率芯片15的栅极连接并引出。

具体地，漏极金属板11可以为金属钼或者其他热膨胀系数CTE与功率芯片15热膨胀系数CTE较为接近的金属，且该金属应具备良好的导热系数；功率芯片15的漏极均固定至漏极金属板11上，即漏极金属板11将引出功率芯片15的漏极。

具体地，第一源极模块12、第二源极模块13及栅极模块14的第一侧面均固定至漏极金属板11的第一侧面上，且第一源极模块12的第二侧面、第二源极模块13的第二侧面、栅极模块14的第二侧面分别与第一源极模块12的第一侧面、第二源极模块13的第一侧面、栅极模块14的第一侧面绝缘。

具体地，本发明实施例利用第一源极模块12、第二源极模块13均与功率芯片15的源极连接，二者分别引出的源极分别作为开尔文源极、功率回路源极，从而实现了短路失效的问题。

在一具体实施例中，如图2所示，功率芯片15的第一侧面上布置功率芯片15的漏极153，功率芯片15的第二侧面上布置功率芯片15的栅极151及源极152；功率芯片15的第一侧面固定至漏极金属板11的第一侧面上。

在一具体实施例中，如图3(a)及图3(b)所示，第一源极模块12包括：

第一基板121及第一碟簧组件122；第一基板121的第一侧面及第二侧面均为金属面，第一基板121的第一侧面固定至漏极金属板11的第一侧面上，第一基板121的第二侧面连接功率芯片15的源极；第一碟簧组件122的下端固定至第一基板121的第二侧面，第一碟簧组件122的上端引出功率芯片15的源极。

可选地，如图3(a)及图3(b)所示，第二源极模块13包括：第二基板131及第二碟簧组件132；第二基板131的第一侧面及第二侧面均为金属面，第二基板131的第一侧面固定至漏极金属板11的第一侧面上，第二基板131的第二侧面连接功率芯片15的源极；第二碟簧组件132的下端固定至第二基板131的第二侧面，第二碟簧组件132的上端引出功率芯片15的源极。

可选地，如图3(a)及图3(b)所示，栅极模块14包括：第三基板141及栅极探针142；第三基板141的第一侧面及第二侧面均为金属面，第三基板141的第一侧面固定至漏极金属板11的第一侧面上，第三基板141的第二侧面连接功率芯片15的栅极；栅极探针142的下端固定至第三基板141的第二侧面，栅极探针142的上端引出功率芯片15的栅极。

具体地，第一基板121、第二基板131、第三基板141，其结构由正面金属、绝缘基板以及背面金属组成，其中，背面金属通过焊接或烧结工艺至漏极金属板11的第一侧面上。第一碟簧组件122、第二碟簧组件132、栅极探针142分别置于第一基板121、第二基板131及第三基板141上，并通过施加压力进行连接。

在一具体实施例中，如图3(a)及图3(b)所示，芯片电极引出结构还包括：

键合线16；功率芯片15的源极通过键合线16固定至第一基板121的第二侧面上；功率芯片15的栅极通过键合线16固定至第三基板141上。

在一具体实施例中，如图3(a)及图3(b)所示，芯片电极引出结构还包括：

第一金属件17及第二金属件18；第一金属件17的第一侧面固定至功率芯片15的源极上；第二金属件18的一端固定至第一金属件17的第二侧面上，第二金属件18的另一端固定至第二基板131的第二侧面上。

具体地，第一金属件17置于功率芯片15之上，并通过烧结工艺与功率芯片15的源极定位精确连接；第二金属件18置于第一金属件17和第二基板131之上，并通过焊接或烧结工艺连接。

具体地，第一金属件17可以为金属钼或者其他热膨胀系数CTE与功率芯片15热膨胀系数CTE较为接近的金属，表面金属镀层为银或者其他易于焊接的金属；第一金属件17用于连接第二金属件18和功率芯片15的源极。

具体地，第二金属件18可以为金属铜或其他导电能力良好的金属，表面金属镀层为银或者其他易于焊接的金属；第二金属件18用于连接第一金属件17和第二基板131的正面金属。

具体地，第一碟簧组件122、第二碟簧组件132均具备一定弹性，第一碟簧组件122通过第一基板121、键合线16连接功率芯片15的源极，作为开尔文源极；第二碟簧组件132通过第二基板131第二金属件18和第一金属件17连接功率芯片15的源极，作为功率回路源极。等效的电路拓扑如图4所示。

实施例2

本发明实施例提供一种芯片电极引出结构的封装结构，包括：至少一个子单元；每个子单元均包括：实施例1的芯片电极引出结构及子单元框架；芯片电极引出结构置于子单元框架内部。子单元框架结构2如图5所示。

在一具体实施例中，如图6所示，芯片电极引出结构的封装结构还包括：源极金属板3、驱动回路PCB板4、外壳5，其中，源极金属板3作为外壳5的底部；如图7所示，外壳5内部设置空腔，外壳5上不封顶，外壳5的任一侧面开设缺口；子单元1及驱动回路PCB板4置于空腔内。

为了将实施例1的由第一碟簧组件122引出的开尔文源极、第二碟簧弹片引出的功率回路源极、栅极探针142引出的栅极引出，驱动回路PCB板4固定至源极金属板3的第一侧面上，并且在驱动回路PCB板4设置源极区、栅极区，驱动回路PCB板4的源极区、栅极区延伸至缺口外；第二碟簧组件132的上端与漏极金属板11的第一侧面连接(实现将功率回路源极连接至漏极金属板11)，第一碟簧组件122的上端与驱动回路PCB板4的源极区连接(实现将开尔文源极连接至源极区)，栅极探针142的上端与驱动回路PCB板4的栅极区连接(实现将栅极连接至栅极区)。

在一具体实施例中，如图8(a)及图8(a)所示，驱动回路PCB板4包括：

层叠设置的第一绝缘层41、第一铜层42、第二绝缘层43及第二铜层44，第一绝缘层41固定至源极金属板3的第一侧面上，第二碟簧组件132的上端连接至源极金属板3的第一侧面上，并通过施加压力进行连接，源极金属板3引出功率回路源极；

第一铜层42上设置第一通孔421、第二绝缘层43上设置第二通孔431，第一通孔421与第二通孔431对齐设置；

第一铜层42设置有第一铜层凸出部422、第二铜层44设置有第二铜层凸出部441，第一铜层凸出部422、第二铜层凸出部441从外壳5的缺口处向外延伸；

第一碟簧组件122的上端连接第二通孔431，由于第二通孔431与第一通孔421对齐，因此第一碟簧组件122的上端连接至第一铜层42，并通过施加压力进行连接，第一铜层42引出开尔文源极；栅极探针142的上端连接至第二铜层44，并通过施加压力进行连接，第二铜层44引出栅极。

本发明实施例还提供一种芯片电极引出结构的高压碳化硅弹性压接封装方法，主要包括以下步骤：

(1)将若干功率芯片15进行电气性能筛选和清洗；

(2)利用模具将芯片的漏极、基板的背面金属定位焊接至漏极金属板11；

(3)将功率芯片15的栅极、源极通过键合线16连接至相应的基板；

(4)将第一金属件17与功率芯片15的源极利用烧结工艺进行精确定位连接；

(5)将第二金属件18与第一金属件17进行定位焊接；同时将栅极探针142与相应的基板定位焊接；

(6)利用密封胶将子单元1框架与漏极金属板11进行粘贴固定；

(7)将第一碟簧组件122、将第二碟簧组件132分别插入子单元框架的指定位置；

(8)将绝缘硅凝胶灌封没过芯片、第二金属件18、第一金属件17、键合线16以及基板，并进行硅凝胶高温固化，提高整体的绝缘能力和可靠性；

(9)将完成的一个或多个子单元1置于外壳5的空腔中；

(10)再次利用密封胶将外壳5与源极金属板3粘贴固定，完成整个模块封装。

实施例3

参考图9，本实施例提供一种功率半导体器件模块，包括：多个实施例2的芯片电极引出结构的封装结构a；每个芯片电极引出结构的封装结构均设置于PCB板b上，每个芯片电极引出结构的封装结构a的栅极由PCB板b上的线路各自引出并联。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种芯片电极引出结构，其特征在于，包括：漏极金属板、第一源极模块、第二源极模块、栅极模块及至少一个功率芯片，其中，

所述第一源极模块的第一侧面、所述第二源极模块的第一侧面、所述栅极模块的第一侧面、所述功率芯片的漏极均固定至所述漏极金属板的第一侧面上；

所述第一源极模块的第二侧面与所述功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为开尔文源极；

所述第二源极模块的第二侧面与所述功率芯片的源极连接并引出，将引出的电极作为功率回路源极；

所述栅极模块的第二侧面与所述功率芯片的栅极连接并引出。

2.根据权利要求1所述的芯片电极引出结构，其特征在于，

所述功率芯片的第一侧面上布置所述功率芯片的漏极，所述功率芯片的第二侧面上布置所述功率芯片的栅极及源极；

所述功率芯片的第一侧面固定至所述漏极金属板的第一侧面上。

3.根据权利要求2所述的芯片电极引出结构，其特征在于，所述第一源极模块包括：

第一基板及第一碟簧组件；

所述第一基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，所述第一基板的第一侧面固定至所述漏极金属板的第一侧面上，所述第一基板的第二侧面连接所述功率芯片的源极；

所述第一碟簧组件的下端固定至所述第一基板的第二侧面，所述第一碟簧组件的上端引出所述功率芯片的源极。

4.根据权利要求3所述的芯片电极引出结构，其特征在于，所述第二源极模块包括：

第二基板及第二碟簧组件；

所述第二基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，所述第二基板的第一侧面固定至所述漏极金属板的第一侧面上，所述第二基板的第二侧面连接所述功率芯片的源极；

所述第二碟簧组件的下端固定至所述第二基板的第二侧面，所述第二碟簧组件的上端引出所述功率芯片的源极。

5.根据权利要求4所述的芯片电极引出结构，其特征在于，所述栅极模块包括：

第三基板及栅极探针；

所述第三基板的第一侧面及第二侧面均为金属面，所述第三基板的第一侧面固定至所述漏极金属板的第一侧面上，所述第三基板的第二侧面连接所述功率芯片的栅极；

所述栅极探针的下端固定至所述第三基板的第二侧面，所述栅极探针的上端引出所述功率芯片的栅极。

6.根据权利要求5所述的芯片电极引出结构，其特征在于，还包括：

键合线；

所述功率芯片的源极通过所述键合线固定至所述第一基板的第二侧面上；

所述功率芯片的栅极通过所述键合线固定至所述第三基板上。

7.根据权利要求4所述的芯片电极引出结构，其特征在于，还包括：

第一金属件及第二金属件；

第一金属件的第一侧面固定至所述功率芯片的源极上；

所述第二金属件的一端固定至所述第一金属件的第二侧面上，所述第二金属件的另一端固定至所述第二基板的第二侧面上。

8.一种芯片电极引出结构的封装结构，其特征在于，包括：

至少一个子单元；

每个子单元均包括：权利要求5-7任一项所述的芯片电极引出结构及子单元框架；

所述芯片电极引出结构置于所述子单元框架内部。

9.根据权利要求8所述的芯片电极引出结构的封装结构，其特征在于，还包括：源极金属板、驱动回路PCB板、外壳，其中，

所述源极金属板作为所述外壳的底部；

所述外壳内部设置空腔，所述外壳上不封顶，所述外壳的任一侧面开设缺口；

所述子单元及所述驱动回路PCB板置于所述空腔内；

所述驱动回路PCB板固定至所述源极金属板的第一侧面上，所述驱动回路PCB板设置源极区、栅极区，所述驱动回路PCB板的源极区、栅极区延伸至所述缺口外；

第一碟簧组件的上端与所述驱动回路PCB板的源极区连接，第二碟簧组件的上端与所述漏极金属板的第一侧面连接，栅极探针的上端与所述驱动回路PCB板的栅极区连接。

10.根据权利要求9所述的芯片电极引出结构的封装结构，其特征在于，所述驱动回路PCB板包括：

层叠设置的第一绝缘层、第一铜层、第二绝缘层及第二铜层，所述第一绝缘层固定至所述源极金属板的第一侧面上，第二碟簧组件的上端连接至源极金属板的第一侧面上；

所述第一铜层上设置第一通孔、所述第二绝缘层上设置第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔对齐设置；

所述第一铜层及所述第二铜层的一端设置有凸出部，所述凸出部从所述外壳的缺口处向外延伸；

第一碟簧组件的上端连接所述第二通孔，栅极探针的上端连接至所述第二铜层。

11.一种功率半导体器件模块，其特征在于，包括：

多个权利要求10所述的芯片电极引出结构的封装结构；

每个芯片电极引出结构的封装结构均设置于PCB板上，每个芯片电极引出结构的封装结构的栅极由所述PCB板上的线路各自引出并联。

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