CN117577596A - 一种功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率半导体模块，涉及功率半导体技术领域，包括：半导体衬底，包括电介质绝缘层、电介质绝缘层的上下表面分别附接有上金属层和下金属层，上金属层的上表面设有电连接结构；功率半导体芯片，连接上金属层的表面并通过电导线连接电连接结构；绝缘树脂层，覆盖于上金属层以及功率半导体芯片的上表面以及部分电导线和电连接结构；外壳，半导体衬底、功率半导体芯片、绝缘树脂层封装于外壳的内部，电连接结构从外壳向外伸出与外部器件连接。有益效果是在衬底的表面设置绝缘树脂层覆盖半导体芯片和电导线连接部分，并且外壳采用塑封方式形成，相比衬底的金属，塑料材料与树脂材料更易结合，实现半导体衬底和塑封材料间的高可靠性结合。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及一种功率半导体模块。
背景技术
在全球光伏装机量持续攀升的背景下，光伏组件功率密度持续提升，对功率半导体模块也提出了更高的要求，高功率密度和高可靠性已成为趋势。塑封封装可以提高功率半导体模块的密封性和导热性，但是随工作环境的变化，冷热循环冲击下塑封材料与模块其他部件(例如半导体衬底、半导体芯片、焊料等)有分层的风险。此外，随着碳化硅和氮化镓等新材料的应用，功率半导体模块功率密度大幅提升，但使用常规的铝线键合方式，工作寿命与硅半导体芯片相比大幅降低，如何加强碳化硅和氮化镓等材质半导体芯片与键合铝线的结合性能，以及如何加强塑封材料与模块其他部件的结合性能，需要一种解决方案。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种功率半导体模块，包括：
半导体衬底，包括电介质绝缘层、所述电介质绝缘层的上下表面分别附接有上金属层和下金属层，所述上金属层的上表面设有电连接结构；
功率半导体芯片，连接所述上金属层的表面并通过电导线连接所述电连接结构；
绝缘树脂层，覆盖于所述上金属层以及所述功率半导体芯片的上表面以及部分所述电导线和所述电连接结构；
外壳，所述半导体衬底、所述功率半导体芯片、所述绝缘树脂层封装于所述外壳的内部，所述电连接结构从所述外壳向外伸出与外部器件连接。
优选的，所述上金属层包括：
第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层均附接于所述电介质绝缘层的上表面，并且所述第一金属层和所述第二金属层之间具有间隙，所述绝缘树脂层覆盖于所述第一金属层和所述第二金属层之上并填满所述间隙；
所述第一金属层和所述第二金属层上均设有所述电连接结构；
所述第一金属层上设有所述功率半导体芯片，通过所述电导线连接所述第二金属层上的所述电连接结构。
优选的，所述电介质绝缘层为陶瓷，采用氧化铝，或氮化硅，或氮化铝制备而成。
优选的，所述电介质绝缘层与所述上金属层和所述下金属层之间采用直接铜结合，或直接铝结合，或活性金属钎焊结合。
优选的，所述上金属层和下金属层包含铜，或铜合金，或铝，或铝合金中的一种。
优选的，所述绝缘树脂层包含聚酰亚胺。
优选的，所述绝缘树脂层的厚度为5-20um。
优选的，所述绝缘树脂层采用喷涂法，或浸涂法，或点胶法形成。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：在衬底的表面设置绝缘树脂层覆盖半导体芯片和电导线连接部分，使半导体芯片和电导线实现高可靠性结合；并且外壳采用塑封方式形成，相比衬底中的金属，塑料材料与树脂材料更易结合，实现半导体衬底和塑封材料间的高可靠性结合。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种功率半导体模块的结构示意图；
图2至图4为本发明的较佳的实施例中，一种功率半导体模块的制作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种功率半导体模块，包括：
半导体衬底1，包括电介质绝缘层11、电介质绝缘层11的上下表面分别附接有上金属层12和下金属层13，上金属层的上表面设有电连接结构14；
功率半导体芯片2，连接上金属层12的表面并通过电导线3连接电连接结构14；
绝缘树脂层4，覆盖于上金属层以及功率半导体芯片的上表面以及部分电导线3和电连接结构14；
外壳5，半导体衬底1、功率半导体芯片2、绝缘树脂层4封装于外壳5的内部，电连接结构14从外壳5向外伸出与外部器件连接。
具体的，本实施例中，半导体衬底1的上表面设置绝缘树脂层4，半导体衬底1和至少一个功率半导体芯片2被塑封，形成功率半导体模块。绝缘树脂层4使功率半导体芯片1和电导线3实现高可靠性结合，同时实现半导体衬底1和塑封材料的外壳间的高可靠性结合。
本发明较佳的实施例，上金属层12包括：
第一金属层121和第二金属层122，第一金属层121和第二金属层122均附接于电介质绝缘层11的上表面，并且第一金属层121和第二金属层122之间具有间隙，绝缘树脂层3覆盖于第一金属层121和第二金属层122之上并填满间隙；
所述第一金属层121和所述第二金属层122上均设有所述电连接结构14；
所述第一金属层121上设有所述功率半导体芯片2，通过所述电导线3连接所述第二金属层122上的所述电连接结构14。
本发明较佳的实施例，电介质绝缘层11为陶瓷，采用氧化铝，或氮化硅，或氮化铝制备而成。
本发明较佳的实施例，电介质绝缘层11与上金属层12和下金属层13之间采用直接铜结合，或直接铝结合，或活性金属钎焊结合。
本发明较佳的实施例，上金属层12和下金属层13包含铜，或铜合金，或铝，或铝合金中的一种。
本发明较佳的实施例，绝缘树脂层4包含聚酰亚胺。
本发明较佳的实施例，绝缘树脂层4的厚度为5-20um。
本发明较佳的实施例，绝缘树脂层4采用喷涂法，或浸涂法，或点胶法形成。
具体的，在功率半导体可靠性方面，需要考虑的因素很多，但是与故障最直接相关的是在功率循环中产出的退化。如塑封材料和半导体衬底结合界面的退化，电导线与半导体芯片结合界面的退化。当前碳化硅和氮化镓等新材料的应用，功率半导体模块的工作结温可能会达到200℃，模块的每个部件都要承受更加严酷的温度和应力。
为了更好地提升塑封材料的外壳与半导体衬底、半导体芯片、焊料等之间和半导体芯片和键合线之间的结合性能，可以进一步包括绝缘树脂层，绝缘树脂层布置在半导体衬底的顶表面，绝缘树脂层是电绝缘的，包括聚酰亚胺。
聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，具有耐高温性，玻璃转化温度(Tg)220-330℃，具有高绝缘性，绝缘强度250-400v/um，与不同材料都具有良好的结合性，又有良好的结构支持作用，减少材料应力。
聚酰亚胺作为绝缘树脂层，结构稳定，可以和半导体衬底、半导体芯片及其电导线结合，又可以和塑封材料结合。
可以借助不同的适当方法形成绝缘树脂层。图2-图4示出了功率半导体模块的制作过程，在图2中示例性地示出一种喷涂法。在此，将绝缘树脂层的材料大面积地喷射到半导体衬底上。用于施加绝缘树脂层的其他可采用方法例如是：浸涂法、点胶法。该材料沉积在半导体衬底的表面上，随后可以进行固化步骤，保护涂层通常以液态的形式被施加在衬底上并因此包含大量溶剂，这种溶剂可以通过加热涂层去除。
绝缘树脂层可以在垂直于半导体衬底的顶表面方向上具有第一厚度d1。例如，第一厚度d1可以介于5um和20um之间。绝缘树脂层覆盖半导体衬底的顶表面及布置在半导体衬底上的半导体芯片，并至少部分覆盖导电线和电连接结构，本发明中的电连接结构可以采用图1中的柱状结构，也可以采用其他形状结构，能够实现将半导体芯片和外部器件电连接的效果即可。
用塑封材料将模块封装起来，可以提升模块的可靠性，具有良好的密封性和散热性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：
半导体衬底，包括电介质绝缘层、所述电介质绝缘层的上下表面分别附接有上金属层和下金属层，所述上金属层的上表面设有电连接结构；
功率半导体芯片，连接所述上金属层的表面并通过电导线连接所述电连接结构；
绝缘树脂层，覆盖于所述上金属层以及所述功率半导体芯片的上表面以及部分所述电导线和所述电连接结构；
外壳，所述半导体衬底、所述功率半导体芯片、所述绝缘树脂层封装于所述外壳的内部，所述电连接结构从所述外壳向外伸出与外部器件连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述上金属层包括：
第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层均附接于所述电介质绝缘层的上表面，并且所述第一金属层和所述第二金属层之间具有间隙，所述绝缘树脂层覆盖于所述第一金属层和所述第二金属层之上并填满所述间隙；
所述第一金属层和所述第二金属层上均设有所述电连接结构；
所述第一金属层上设有所述功率半导体芯片，通过所述电导线连接所述第二金属层上的所述电连接结构。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述电介质绝缘层为陶瓷，采用氧化铝，或氮化硅，或氮化铝制备而成。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述电介质绝缘层与所述上金属层和所述下金属层之间采用直接铜结合，或直接铝结合，或活性金属钎焊结合。
5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述上金属层和下金属层包含铜，或铜合金，或铝，或铝合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述绝缘树脂层包含聚酰亚胺。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述绝缘树脂层的厚度为5-20um。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述绝缘树脂层采用喷涂法，或浸涂法，或点胶法形成。
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