CN116314171A - 驱动芯片可分离安装的半导体模块和半导体组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种驱动芯片可分离安装的半导体模块和半导体组件，包括模块本体和驱动安装槽，其中模块本体包括模块电路基板组件和包覆模块电路基板组件的模块密封层，驱动安装槽设置在模块密封层相对模块本体的背面的密封面的一侧，以容纳安装外接的驱动芯片，驱动安装槽的底部部分的露出模块电路基板组件的表面，且模块电路基板组件的表面的露出部分设置有信号连接接口，以与驱动芯片电连接。相对现有技术中将驱动芯片内置于半导体模块的密封层内，本发明的半导体模块采样可分离的驱动芯片安装结构，从而可以有效的减少电路基板的面积，以此实现半导体模块小型化的结构，有利于适应现在应用过程中的控制器小型化需求。

Description

驱动芯片可分离安装的半导体模块和半导体组件
技术领域
本发明涉及一种驱动芯片可分离安装的半导体模块和半导体组件，属于半导体电路应用技术领域。
背景技术
半导体模块是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。为提高半导体电路的散热能力，其表面的塑封采用半包封设计，背面采用裸露金属基板以进行传热的方式。半导体模块内部一般设置有功率器件和驱动功率器件工作的驱动芯片，传统的驱动芯片和功率器件设置在同一电路基板上，由于功率器件工作是发热量大，因此驱动芯片也会由于电路基板的热传导导致工作温升高，而且由于二者都设置在同一电路基板上，使得电路基板的面积相对大，能以适应目前小型化的设计需求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题解决现有的半导体模块由于内部的驱动芯片和功率器件安装在同一电路基板上带来驱动芯片发热较大且不利于整个半导体模块小型化的设计问题。
本发明首先提出一种驱动芯片可分离安装的半导体模块，半导体模块包括：
模块本体，模块本体包括模块电路基板组件和包覆模块电路基板组件的表面和四个侧面的模块密封层，模块电路基板组件的金属面从模块密封层露出以形成模块本体的背面，其中模块本体的一侧面设置相对侧面伸出的多个模块引脚；
驱动安装槽，设置在模块密封层相对模块本体的背面的密封面的一侧，以容纳安装外接的驱动芯片，驱动安装槽的底部部分的露出模块电路基板组件的表面，且模块电路基板组件的表面的露出部分设置有信号连接接口，以与驱动芯片电连接。
可选地，驱动安装槽底部的内侧设置凸起以形成台阶部，台阶部底面部分露出模块电路基板组件的表面。
可选地，台阶部表面的面积大于台阶部底面的面积。
可选地，台阶部表面与密封面的垂直距离与驱动芯片的厚度相同。
可选地，驱动安装槽设置在模块本体的相对模块引脚的一侧。
可选地，模块电路基板组件包括：
模块电路基板，电路基板包括散热面和安装面；
绝缘层，绝缘层设置与安装面；
电路布线层，电路布线层设置于模块密封层的表面，电路布线层的表面设置多个元件安装位；
多个电子元件，多个电子元件设置于元件安装位。
本发明还提出一种半导体模块组件，其特征在于，半导体模块组件包括上述的半导体模块，还包括安装在半导体模块的驱动安装槽内的驱动芯片。
可选地，驱动芯片的一侧设置多个伸出的驱动引脚，驱动引脚设置在驱动安装槽底部的台阶的底部。
可选地，驱动芯片包括驱动电路基板组件和包覆驱动电路基板组件的驱动密封层。
本发明的半导体模块，包括模块本体和驱动安装槽，其中模块本体包括模块电路基板组件和包覆模块电路基板组件的表面和四个侧面的模块密封层，模块电路基板组件的金属面从模块密封层露出以形成模块本体的背面，其中模块本体的一侧面设置相对侧面伸出的多个模块引脚，驱动安装槽设置在模块密封层相对模块本体的背面的密封面的一侧，以容纳安装外接的驱动芯片，驱动安装槽的底部部分的露出模块电路基板组件的表面，且模块电路基板组件的表面的露出部分设置有信号连接接口，以与驱动芯片电连接。相对现有技术中将驱动芯片内置于半导体模块的密封层内，本发明的半导体模块采样可分离的驱动芯片安装结构，从而可以有效的减少电路基板的面积，以此实现半导体模块小型化的结构，有利于适应现在应用过程中的控制器小型化需求。
附图说明：
图1为本发明实施例的半导体模块的立体图；
图2为本发明实施例的半导体模块组件的立体图；
图3为图2中半导体模块的X-X’方向的剖视图；
图4为本发明实施例的半导体模块的背面方向的俯视图；
图5为本发明实施例的半导体模块组件的驱动芯片去掉驱动密封层的立体图；
图6为本发明实施例的半导体模块去掉模块密封层的立体图；
图7为本发明实施例的驱动芯片去掉驱动密封层的立体图。
附图标记：
半导体模块100，模块密封层110，密封安装槽111，模块引脚120，驱动安装槽130，台阶部131，台阶部表面1311，台阶部底面1312，模块电路基板140，散热面141，绝缘层150，电子元件160，IGBT管161，续流二极管162，键合线170，驱动芯片200，驱动电路基板210，驱动芯片核心220，驱动引脚230，驱动密封层240。
具体实施方式
需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
本发明提到的半导体模块，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(Modular Intelligent Power System，MIPS)、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，或者称为混合集成电路、功率半导体模块、功率模块等名称。
本发明提出一种驱动芯片200可分离安装的半导体模块100，如图1至5所示，该半导体模块100包括模块本体和设置在模块本体上的驱动安装槽130。其中模块本体包括模块电路基板组件和包覆模块电路基板组件的表面和四个侧面的模块密封层110，模块电路基板组件的金属面从模块密封层110露出以形成模块本体的背面，其中模块本体的一侧面设置相对侧面伸出的多个模块引脚120。驱动安装槽130设置在模块密封层110相对模块本体的背面的密封面的一侧，以容纳安装外接的驱动芯片200，驱动安装槽130的底部部分的露出模块电路基板组件的表面，且模块电路基板组件的表面的露出部分设置有信号连接接口，以与驱动芯片200电连接。
相对现有技术中将驱动芯片200内置于半导体模块100的密封层内，而且和模块电路基板组件上的功率器件一同设置在同一电路基板上，本发明的半导体模块100采样可分离的驱动芯片200安装结构，通过设置驱动安装槽130，实现驱动芯片200可分离的安装在驱动安装槽130内，从而可以有效的减少电路基板的面积，以此实现半导体模块100小型化的结构，有利于适应现在应用过程中的控制器小型化需求。而且将驱动芯片200安装于相对模块引脚120的另一侧，由于模块引脚120中包含强电引脚，从而远离强电部分引脚，有主要工作于电压点的驱动芯片200的内部核心电路原理强电干扰，而且由于和电路基板不共用同一个电路基板，功率器件的发热的热传导对驱动芯片200的影响大大降低，从而有效的降低其工作温度，增强其工作可靠性。
在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，驱动安装槽130底部的内侧设置凸起以形成台阶部131，台阶部底面1312部分露出模块电路基板组件的表面。其中模块电路基板组件的表面的部分露出面位于台阶部底面1312，而台阶部表面1311的面积要大于台阶部底面1312，以此驱动芯片200的本体安装在台阶部表面1311，而驱动芯片200的接口与台阶部底面1312进行电连接，从而实现驱动芯片200与模块电路基板组件的电连接。
具体地，驱动芯片200也包括外部封装的驱动密封层240，密封层内部设置驱动芯片200的驱动电路基板210组件，驱动芯片200与半导体模块100可以基于连接件的方式，如二者通过子母插座的方式插接实现电连接；或者也可以在驱动密封层240的一侧设置多个伸出的驱动引脚230，驱动引脚230可通过焊接的方式与模块电路基板组件的模块电路基板140上的多个焊盘进行焊接实现电连接，如图2所示。
进一步地，台阶部表面1311与密封面的垂直距离与驱动芯片200的厚度相同。从而实现驱动芯片200安装在驱动安装槽130内时，驱动密封层240的表面与模块密封层110的表面在同一水平面或者接近同一水平面，以此实现二者安装时外观的整体一致。
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，驱动安装槽130设置在模块本体的相对模块引脚120的一侧。从而实现驱动芯片200尽量的远离模块引脚120，模块内部的功率器件一般距离模块引脚120较近，如此设置，使得功率芯片的发热进一步降低对驱动芯片200的热传导，又进一步的远离功率器件，和模块引脚120分钟的强电引脚，从而进一步有效的降低驱动芯片200的温升和受到的强电干扰。
在本发明的一些实施例中，具体的，如图3至图7所示，模块电路基板组件包括模块电路基板140、绝缘层150、电路布线层和多个电子元件160。模块电路基板140包括散热面141和安装面，安装面用于连接绝缘层150，散热面141为露出于模块密封层110或者被模块密封层110包覆的一面。在本发明的实施例中，散热面141露出于模块密封层110，以更好的实现散热。绝缘层150由环氧树脂等树脂材料制成，并在树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝等填料，以提高热导率。为了提高热导率，填料可采用角形，为了规避填料损坏电子元件160的表面的风险，填料可采用球形或者角形与球形混合型。电路布线层可以是铜箔蚀刻形成，也可以是膏状导电介质印刷形成，导电介质可以是石墨烯、锡膏、银胶等导电材料。电路布线层的表面设置有多个元件安装位，以安装多个电子元件160，电子元件160包括功率器件和其他阻容元件，其中功率器件包括开关管如IGBT管161(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOS管(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)，在本实施例中为IGBT管161，也包括续流二极管162。功率器件的大发热量大，为了进一步提升功率器件和散热基板之间的传热效率，还可以在功率器件和电路布线层之间安装有金属材质制成的辅助散热器。引脚一般采用铜等金属制成，铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐蚀氧化，并可提高可焊接性。引脚的一端固定在靠近模块电路基板140的两侧或者一侧长边。模块密封层110可通过传递模方式使用热硬性树脂模制也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制，模块密封层110只密封模块电路基板140的安装电子元件160的一面，另一面的散热面141露出，以与外置的散热器进行配合以进行散热。
在本申请的一些实施例中，如图3和图6所示，半导体电路还包括多根键合线170，键合线170连接于多个电子元件160、电路布线层、多个模块引脚120之间。如键合线170可以连接电子元件160和电子元件160，也可以连接电子元件160和电路布线层，还可以是连接电子元件160和模块引脚120，以及电路布线层和模块引脚120。电子元件160为上述实施例提到的功率器件如IGBT、续流二极管162、以及其它如电阻、电容等。键合线170通常为金线、铜线、金铜混合线、38μm或者38μm以下细键合线170、100μm或100μm以上的粗键合线170。
在本申请的一些实施例中，如图1和图2所示，模块密封层110的两侧还对称设置有密封安装槽111，以固定半导体模块100在散热器上，实现模块电路基板140的散热面141和散热器的表面紧密贴合，从而实现散热器对半导体模块100的良好散热。
本发明还提出一种半导体模块组件，如图2至图7所示，半导体模块组件包括上述实施例提到的半导体模块100，还包括安装在半导体模块100的驱动安装槽130内的驱动芯片200。其中驱动芯片200与半导体模块100通过可拆卸的方式安装，二者的结合可基于子母连接件的方式电连接和安装，也可以通过在驱动芯片200的一侧设置多个伸出的驱动引脚230，以此将引脚和设置在驱动安装槽130底部的台阶的底部的焊盘基于焊接方式实现安装和电连接。在图2和图5中，驱动芯片200通过其引脚与半导体模块100的位于台阶底部露出的焊盘接口基于焊接的方式实现二者的固定和连接。
当驱动芯片200与半导体模块100通过子母连接件的方式电连接时，驱动芯片200的底部与台阶部表面1311还是处于活动的状态，为了实现驱动芯片200与半导体模块100之间的定位，可在模块安装槽的两侧壁面开设定位槽(图中未示出)，同时在驱动芯片200的密封层的两侧开设对应的定位条(图中未示出)，这样驱动芯片200的定位条滑入定位槽中，而驱动芯片200的一侧露出的连接接口与模块安装槽中的连接件通过插件从而实现驱动芯片200和半导体模块100之间的定位固定和电连接。此种连接方式能方便的实现二者的可拆卸连接。
具体地，如图7所示，做为驱动芯片200的一种可实现方式，驱动芯片200包括驱动电路基板210组件和包覆驱动电路基板210组件的驱动密封层240，其中驱动电路基板210组件包括驱动电路基板210，在驱动电路基板210上设置有驱动芯片核心220以及相关的阻容电子元件160，驱动引脚230设置在电路基板组件的一侧，并从驱动密封层240的一侧露出。驱动引脚230通过弯折整形，在自由端形成弯折部以与半导体模块100的电路基板的对应信号连接端的焊盘连接，从而实现驱动芯片200和半导体模块100的电连接。
由于驱动芯片200和半导体模块100采用可拆装的结构，驱动芯片200的底部安装于半导体模块100的驱动安装槽130的台阶面，此台阶面为模块密封层110的一部分，因此，半导体模块100在工作过程中，其内部的功率器件的发热传递到密封层的表面已经温度降低很多，再传递到驱动芯片200的驱动密封层240再传递到驱动芯片200内部的驱动芯片核心220时，其温度进一步大大降低，相对现有技术中的驱动芯片核心220和功率器件位于同一块电路基板上，驱动芯片200的工作温度要明显的大大降低受功率器件的发热的影响，从而有效的提升驱动芯片200的工作稳定性，也就大大提升了整个半导体模块组件的工作可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种驱动芯片可分离安装的半导体模块，其特征在于，包括：
模块本体，所述模块本体包括模块电路基板组件和包覆所述模块电路基板组件的表面和四个侧面的模块密封层，所述模块电路基板组件的金属面从所述模块密封层露出以形成所述模块本体的背面，其中所述模块本体的一侧面设置相对所述侧面伸出的多个模块引脚；
驱动安装槽，设置在模块密封层相对所述模块本体的背面的密封面的一侧，以容纳安装外接的驱动芯片，所述驱动安装槽的底部部分的露出所述模块电路基板组件的表面，且所述模块电路基板组件的表面的露出部分设置有信号连接接口，以与所述驱动芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述驱动安装槽底部的内侧设置凸起以形成台阶部，所述台阶部底面部分露出所述模块电路基板组件的表面。
3.根据权利要求2所述的半导体模块，其特征在于，所述台阶部表面的面积大于所述台阶部底面的面积。
4.根据权利要求3所述的半导体模块，其特征在于，所述台阶部表面与所述密封面的垂直距离与所述驱动芯片的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述驱动安装槽设置在所述模块本体的相对所述模块引脚的一侧。
6.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述模块电路基板组件包括：
模块电路基板，所述电路基板包括散热面和安装面；
绝缘层，所述绝缘层设置与所述安装面；
电路布线层，所述电路布线层设置于所述模块密封层的表面，所述电路布线层的表面设置多个元件安装位；
多个电子元件，所述多个电子元件设置于所述元件安装位。
7.一种半导体模块组件，其特征在于，所述半导体模块组件包括如权利要求1至6任意一项所述的半导体模块，还包括安装在所述半导体模块的驱动安装槽内的驱动芯片。
8.根据权利要求7所述的半导体模块组件，其特征在于，所述驱动芯片的一侧设置多个伸出的驱动引脚，所述驱动引脚设置在所述驱动安装槽底部的台阶的底部。
9.根据权利要求8所述的半导体模块组件，其特征在于，所述驱动芯片包括驱动电路基板组件和包覆所述驱动电路基板组件的驱动密封层。
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