CN1388580A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种含电路的转动电机控制器,该电路包括多个安装于传导图案上的半导体器件,所述的传导图案形成于一金属基板上,其中没有采用热沉。由于用于封接半导体芯片的树脂的线性热膨胀系数与金属基板上形成的传导图案的线性热膨胀系数相匹配,所以提高了它的耐受性等的性能。

Description

半导体器件
发明背景
本发明涉及一种含有一其上安装一半导体裸片的绝缘金属基板的电路，尤其改善了该裸片的散热性。
含有半导体器件的电路常用作各种电气设备和装置以及车辆和工业设备和装置中的控制电路。这种电路通常采用将一裸片置于形成于一绝缘基板上的电极和电路上的方式形成。通过缩短电线长度降低电阻可改进其性能。在制作过程中它还允许较高的效能和较高的安装密度以减小尺寸。通常是将裸片焊接到基板上的电极和电路板上，然后用树脂封接。
在这种半导体电路中，半导体芯片和基板间的热膨胀和/或收缩的不同产生了热应力。这是由半导体芯片本身发热和外界环境的温度循环引起的。为减小这种热应力，常经由一个由高传导片材例如铜制成的热沉把半导体芯片焊接到基板上。但是，采用这种热沉就增加了部件的数量，使得其结构变得复杂，继而减小了芯片的安装密度，并增加了装配工艺中的难度和费用。
日本特许公开07-249714中公开的一种含有半导体器件的电路，它欲于减小热应力而不用热沉。该公报中所描述的半导体器件是一种含有一个半导体器件的复合电路。该电路包括一个铝基板，在其上经由一绝缘层而形成一传导图案，半导体芯片被直接焊接在传导图案上，然后用热膨胀系数小于铝基板的树脂进行封接。
但是，由于用于封接半导体芯片的树脂具有热膨胀系数小于铝基板的热膨胀系数。所以，不总能使所有类型的半导体芯片和传导图案材料的热应力充分降低。
因此，本发明的主要目的在于提供一种含有半导体器件的电路，它能减小该半导体芯片中的热应力且不需热沉。
发明概述
本发明用于说明一种电路，它包括：一个金属基板，该基板上的绝缘层和形成于该绝缘层之上的传导图案。一半导体裸片直接安装在该传导图案上而没有热沉。封接体形成于该半导体裸片上。该封接体由一种其热膨胀系数约等于传导图案的热膨胀系数的材料制得。
附图简介
图1是根据本发明构成的电路沿其中一个所安装的半导体器件的中心剖开的横截面图；
图2是本发明所采用的铝基板的顶视图；
图3是一个顶视图，与图2部分相似，但它所示意的是安装在该铝基板上的芯片和其他部件；
图4是图3所示结构的侧面立视图；
图5是本发明中所采用的用于电动机车的电机控制单元的顶视图；
图6是上述电机控制单元的侧面立视图；
图7是上述电机控制单元的端面立视图；
图8是一个顶视图，与图5部分相似，但它去除了封装化合物，且用实线示意所含组件；
图9是一个侧面立视图，与图6部分相似，但它去除了封装化合物，且用实线示意所含组件；
图10是一个端面立视图，与图7部分相似，但它去除了封装化合物，且用实线示意所含组件。
详细描述
现在详细描述附图，首先从图1-4开始，其中示意了一个电路板，其上置有一个印刷电路和例如半导体芯片以及其他部件的固态组件，所述的电路板常用附图标记21表示。在上述实施例中，如图2所示，电路板21包括：一个约2-3mm厚的铝(Al)基板22；一个由例如环氧树脂制成的75-100μm厚的绝缘层23；和一个位于该绝缘层23上的铜(Cu)膜传导图案24。
传导图案24上涂覆一层阻焊剂25，其图案被设置成开口状，以制成一个台阶状图案26，半导体芯片将安装于此。
把一半导体裸片27直接用焊接剂28(易熔焊接剂或无铅焊接剂)焊接到露在台阶状图案26中的传导图案24上。所述的半导体裸片27可以是一种例如用于功率转换的电功二极管或功率晶体管的功率器件的裸片，通过它流经大量的电流。由于有大电流流经传导图案24，所以该传导图案的横截面应当加厚。厚度的选择范围为300-500μm。通常，所用的裸片厚度在75-105μm量级。
本发明中，在焊接半导体芯片时，所用的焊接剂量应当足以覆盖整个芯片底面。多余的熔融焊接剂可流过台阶状图案上形成的凹槽中部。从而，可以通过适当选择焊接剂量来获得本发明台阶状图案结构的上述效果。
在焊接完成后，用具有特殊热膨胀性能的树脂29例如环氧树脂来封装或密封半导体裸片27。树脂29的线性热膨胀系数约等于传导图案28的热膨胀系数。在此情形中，铜的线性热膨胀系数为16.7×10-6/℃。所以，环氧树脂29与传导图案28的线性膨胀系数相匹配，能有效地减小作用于半导体裸片27上的温度循环所引起的热应力。这在经验上得以证实。
在这种连接中，铝基板22的线性热膨胀系数为23×10-6/℃。另外，还可以采用陶瓷基板(线性热膨胀系数＝2.4×10-6/℃)或铁基板(线性热膨胀系数＝约12×10-6/℃)。在上述任一种情形中，应当把树脂29的线性热膨胀系数调节为约等于构成传导图案28的铜的线性热膨胀系数。
图2-4示意的实施例中，体现本发明的基板可以用作一种用于驱动电动机车的电动控制单元。铜传导图案(未示出)形成于一铝基板31上且涂覆一层阻焊剂32。通过使阻焊剂32形成图案，而形成构成电动控制电路部件的二极管式台阶状图案33和FET台阶状图案34。该控制电路的输出端35a，35b和35c分别形成于铝基板31上的三个位置，每一个都有两个输出端孔36。在铝基板31的四个角上设有安装孔37，用于固定壳体，这将在后面结合图7-12进行描述。而且，在基板上还设有栅电阻38，以形成该驱动电路的另一组件。
二极管39焊接在各个二极管台阶状图案33中，FET 41焊接在各个FET台阶状图案34中焊接。分别用树脂42封装或密封每个二极管39。用树脂43沿着接头44焊接每个FET41。可以选择其线性热膨胀系数为(15-30)×10-6/℃的市售可得的液态密封材料或树脂作为用于封装这些二极管39和FET 41的密封材料。(例如：这样的封装材料在市场上很容易得到，其线性热膨胀系数为15×10-6/℃和22×10-6/℃，分别约等于铜和铝的线性热膨胀系数。)现在参见图5-10，这些图示意了：根据本发明的另一个特征，如何构成含有图2-4所示铝基板31的整个电动控制单元。通常用附图标记45所示的电动控制单元包括一个位于壳体46中由铝基板31构成的驱动控制单元，参见前面结合图2-4所述的那样。
壳体46由铝或铝合金金属材料挤压而成。壳体46为两端开口的圆柱体。从它的外圆周表面伸出形成多个平行排列的脊47。脊47增大了壳体46的表面积，这使得该壳体46的热辐射和刚性以及强度都增加了。
在铝基板31上还安装有构成驱动控制电路的其他部件，例如电介质电容器48，它构成驱动控制电路(图8)。而且，端部连接片49a，49b和49c与前面所述的输出端35a，35b和35c相连。控制电路的每条信号线通过电缆51和耦合器52与开关和机车侧的其他驱动或控制元件相连。经由前述输出端孔37的输出端53从铝基板31的下表面伸出。这种铝基板31和置于其上的电学元件一起安装在壳体46中，且用具有前述热膨胀特性的树脂进行封装和密封。
如上所述，由于用于封接半导体芯片的树脂的线性热膨胀系数与金属基板上所形成的传导图案的线性热膨胀系数相匹配，所以，减小了因温度循环所引起的热应力和机械应力。这样，以不需采用热沉的简单结构就改善了它的耐受性，并避免了磨损。当然，所描述的实施例仅是本发明的优选实施例，并且，在不脱离本发明精神和如所附权利要求书限定的范围的情况下可以进行各种变化和修改。

Claims (4)

1、一种电路，包括：一个金属基板；一个位于所述基板上的绝缘层；一个在所述绝缘层上形成的传导图案；一个直接安装于所述传导图案上的半导体裸片；和一个在所述半导体裸片之上形成的封装体；所述的封装体由其热膨胀系数约等于所述传导图案的热膨胀系数的材料制得。
2、一种如权利要求1所述的电路，其中所述的金属基板包括一个铝基板，且所述的传导图案由铜膜制成。
3、一种如权利要求1所述的电路，它与一个转动电机结合，其中所述的电路用于控制所述转动电机的电功率。
4、如权利要求3所述的结合，其中所述的转动电机控制单元由一个圆柱状端部开口的壳体构成，所述的电路含于其中，所述的壳体具有从所述壳体表面伸出的向外突出的平行脊状物，用树脂把所述电路固定在所述壳体之中。
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