CN116364661A - 压接型半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种压接型半导体器件，可用于电力半导体器件技术领域。所述压接型半导体器件包括：芯片、设置在所述芯片的阳极侧的阳极金属管壳以及设置在所述芯片的阴极侧的阴极金属管壳；所述芯片的阳极侧和所述阳极金属管壳之间还设置有阳极金属垫片，所述阳极金属垫片和所述阳极金属管壳之间通过第一低热阻结合层连接；和/或所述芯片的阴极侧和所述阴极金属管壳之间还设置有阴极金属垫片，所述阴极金属垫片和所述阴极金属管壳之间通过第二低热阻结合层连接。本申请实施例提供的压接型半导体器件，能够将金属垫片与金属管壳之间的压力接触面替换为低热阻结合层，大幅降低了封装结构的接触热阻，从而降低器件整体的结壳热阻。
Description
技术领域
本申请涉及电力半导体器件技术领域，具体涉及一种压接型半导体器件。
背景技术
大功率压接型半导体器件是直流输配电系统中的重要组成部分。根据器件功能和控制方式可分为二极管类器件、晶闸管类器件和IGBT类器件。其共同特点是器件主要压接结构由金属管壳、金属垫片、芯片组成，其中压力通过阳极金属管壳-阳极金属垫片-芯片-阴极金属垫片-阴极金属管壳的路径传递，其中阳极金属管壳和阳极金属垫片、阴极金属管壳和阴极金属垫片通过压力接触面进行电、热连接。
压接型晶闸管类器件的散热方式为芯片的阳、阴极面直接或通过金属垫片将芯片产生的热损耗传递到金属管壳上，再通过金属管壳传递到散热器。传热过程受到芯片、金属垫片、金属管壳的体热阻及其各部分之间的接触热阻所阻碍。其中金属垫片与金属管壳之间的接触热阻占总接触热阻的很大一部分，而且由于金属垫片通常采用钼等硬度较大的材料，致使其与金属管壳的接触热阻很大，因此金属垫片和金属管壳之间的压力接触面的热阻亟待优化。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请实施例提供一种压接型半导体器件，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
本申请提出一种压接型半导体器件，包括芯片、设置在所述芯片的阳极侧的阳极金属管壳以及设置在所述芯片的阴极侧的阴极金属管壳；
所述芯片的阳极侧和所述阳极金属管壳之间还设置有阳极金属垫片，所述阳极金属垫片和所述阳极金属管壳之间通过第一低热阻结合层连接；和/或
所述芯片的阴极侧和所述阴极金属管壳之间还设置有阴极金属垫片，所述阴极金属垫片和所述阴极金属管壳之间通过第二低热阻结合层连接。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层包括设置于所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳一侧的第一软质金属镀层以及设置于所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片一侧的第二软质金属镀层；和/或
所述第二低热阻结合层包括设置于所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳一侧的第三软质金属镀层以及设置于所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片一侧的第四软质金属镀层。
在一些实施例中，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的材料包括银、镍、铅、钌和/或铑。
在一些实施例中，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的厚度为1μm~10μm。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为铝或者铝合金组成的烧结层。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层是在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧和所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧分别镀铝层或者铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧和所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧分别镀铝层或者铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为高导电导热材料填充层。
在一些实施例中，所述高导电导热材料填充层为包含锌、镍和/或铬金属颗粒的导电硅脂，或者为包含银粉末的导电胶。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的厚度为1μm~20μm。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的导热率大于30W/mK，导电率大于107S/m。
本申请实施例提供的压接型半导体器件，能够将压接型半导体器件的金属垫片与金属管壳之间的压力接触面替换为低热阻结合层，大幅降低了封装结构的接触热阻，从而降低器件整体的结壳热阻。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。在附图中：
图1是现有的压接型半导体器件的结构示意图。
图2是本申请一实施例提供的压接型半导体器件的结构示意图。
图3是本申请一实施例提供的金属垫片、金属管壳及低热阻结合层的结构关系示意图。
图4是本申请一实施例提供的金属垫片、金属管壳及低热阻结合层的结构关系示意图。
图5是本申请一实施例提供的金属垫片、金属管壳及低热阻结合层的结构关系示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意排序。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、……等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部排序。
为更好的理解本申请，以下先对本申请的研究背景进行详细介绍。
现有的压接型半导体器件的结构及金属垫片和金属管壳的接触方式如图1所示，其中金属垫片和金属管壳之间为压力接触面，现有的金属加工工艺之下金属垫片和金属管壳之间的接触面有较大的接触热阻。
本申请实施例提供的压接型半导体器件，包括：芯片、设置在所述芯片的阳极侧的阳极金属管壳以及设置在所述芯片的阴极侧的阴极金属管壳；
所述芯片的阳极侧和所述阳极金属管壳之间还设置有阳极金属垫片，所述阳极金属垫片和所述阳极金属管壳之间通过第一低热阻结合层连接；和/或
所述芯片的阴极侧和所述阴极金属管壳之间还设置有阴极金属垫片，所述阴极金属垫片和所述阴极金属管壳之间通过第二低热阻结合层连接。
其中，所述芯片可以为GCT芯片/晶闸管芯片/二极管芯片，所述阳极金属垫片和阴极金属垫片可以为钼片或铝片，所述阳极金属管壳和阴极金属管壳可以为铜块。
具体来讲，在一些实施例中，所述压接型半导体器件包括芯片、阳极金属垫片、阳极金属管壳以及阴极金属管壳；在另一些实施例中，所述压接型半导体器件包括芯片、阳极金属管壳、阴极金属垫片以及阴极金属管壳；在又一些实施例中，所述压接型半导体器件包括芯片、阳极金属垫片、阳极金属管壳、阴极金属垫片以及阴极金属管壳。也即所述芯片的至少一侧既具有金属垫片、也具有金属管壳。同时，所述芯片至少一侧的金属垫片和金属管壳通过低热阻结合层连接。
举例而言，如图2所示，在一些实施例中，压接型半导体器件1包括芯片11、阳极金属垫片12、阳极金属管壳13、阴极金属垫片14以及阴极金属管壳15；其中，阴极金属垫片14和阴极金属管壳15之间通过第二低热阻结合层16连接。
本申请实施例提供的压接型半导体器件，能够将压接型半导体器件的金属垫片与金属管壳之间的压力接触面替换为低热阻结合层，大幅降低了封装结构的接触热阻，从而降低器件整体的结壳热阻。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层包括设置于所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳一侧的第一软质金属镀层以及设置于所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片一侧的第二软质金属镀层；和/或
所述第二低热阻结合层包括设置于所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳一侧的第三软质金属镀层以及设置于所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片一侧的第四软质金属镀层。
简单来讲，如图3所示，所述第一低热阻结合层和所述第二低热阻结合层中至少有一个低热阻结合层由双侧镀软质金属镀层形成（不限于只包括双侧软质金属）。本实施例提出的低热阻结合层可通过简单工艺实现，工艺过程不影响器件的原有封装结构。
在一些实施例中，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的材料包括银、镍、铅、钌和/或铑。
在一些实施例中，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的厚度为1μm~10μm。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为铝或者铝合金组成的烧结层。
简单来讲，如图4所示，所述第一低热阻结合层和所述第二低热阻结合层中至少有一个低热阻结合层为烧结层。本实施例提出的低热阻结合层可通过简单工艺实现，工艺过程不影响器件的原有封装结构。
在一些实施例中，在所述第一低热阻结合层为铝/铝合金组成的烧结层时，所述第一低热阻结合层是在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧和所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧分别镀铝层/铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的。具体施加的压力大小可以与器件的直径相关，例如，对于直径为四寸的器件来说，所述压力可以为40 kN ~80kN，对于直径为六寸的器件来说，所述压力可以为80 kN~150kN。
在一些实施例中，在所述第二低热阻结合层为铝/铝合金组成的烧结层时，所述第二低热阻结合层是在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧和所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧分别镀铝层/铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的。同上述实施例，具体施加的压力大小可以与器件的直径相关。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为高导电导热材料填充层。
简单来讲，如图5所示，所述第一低热阻结合层和所述第二低热阻结合层中至少有一个为高导电导热材料填充层。本实施例提出的低热阻结合层可通过简单工艺实现，工艺过程不影响器件的原有封装结构。
在一些实施例中，所述高导电导热材料填充层为包含锌、镍和/或铬等金属颗粒的导电硅脂，或者为包含银粉末等金属材料的导电胶。
在一些实施例中，在所述第一低热阻结合层为包含锌、镍和/或铬金属颗粒的导电硅脂时，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的。
在一些实施例中，在所述第二低热阻结合层为包含锌、镍和/或铬金属颗粒的导电硅脂时，所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的。
在一些实施例中，在所述第一低热阻结合层为包含银粉末的导电胶时，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的。
在一些实施例中，在所述第二低热阻结合层为包含银粉末的导电胶时，所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的厚度为1μm~20μm。
在一些实施例中，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的导热率大于30W/mK，导电率大于107S/m。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“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申请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。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种压接型半导体器件，其特征在于，包括芯片、设置在所述芯片的阳极侧的阳极金属管壳以及设置在所述芯片的阴极侧的阴极金属管壳；
所述芯片的阳极侧和所述阳极金属管壳之间还设置有阳极金属垫片，所述阳极金属垫片和所述阳极金属管壳之间通过第一低热阻结合层连接；和/或
所述芯片的阴极侧和所述阴极金属管壳之间还设置有阴极金属垫片，所述阴极金属垫片和所述阴极金属管壳之间通过第二低热阻结合层连接。
2.根据权利要求1所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层包括设置于所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳一侧的第一软质金属镀层以及设置于所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片一侧的第二软质金属镀层；和/或
所述第二低热阻结合层包括设置于所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳一侧的第三软质金属镀层以及设置于所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片一侧的第四软质金属镀层。
3.根据权利要求2所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的材料包括银、镍、铅、钌和/或铑。
4.根据权利要求2或3所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一软质金属镀层、第二软质金属镀层、第三软质金属镀层和/或第四软质金属镀层的厚度为1μm~10μm。
5.根据权利要求1所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为铝或者铝合金组成的烧结层。
6.根据权利要求5所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层是在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧和所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧分别镀铝层或者铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧和所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧分别镀铝层或者铝硅合金层之后、在500℃以上的环境中加压力进行烧结后形成的。
7.根据权利要求1所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层为高导电导热材料填充层。
8.根据权利要求7所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述高导电导热材料填充层为包含锌、镍和/或铬金属颗粒的导电硅脂，或者为包含银粉末的导电胶。
9.根据权利要求8所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电硅脂后形成的。
10.根据权利要求8所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阳极金属垫片靠近所述阳极金属管壳的一侧以及所述阳极金属管壳靠近所述阳极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的；和/或
所述第二低热阻结合层是在所述压接型半导体器件封装过程中在所述阴极金属垫片靠近所述阴极金属管壳的一侧以及所述阴极金属管壳靠近所述阴极金属垫片的一侧均匀涂覆所述导电胶后，在200℃~400℃的环境中固化1分钟~10分钟后形成的。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的厚度为1μm~20μm。
12.根据权利要求1至3、5至10中任一项所述的压接型半导体器件，其特征在于，所述第一低热阻结合层和/或所述第二低热阻结合层的导热率大于30W/mK，导电率大于107S/m。
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2023
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