CN203746843U - 一种功率半导体模块 - Google Patents

一种功率半导体模块 Download PDF

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Abstract

一种半导体功率模块，它主要包括基体，衬板，功率半导体芯片，功率引出端，电路信号引出端、外壳和支架；所述的功率模块最多设置有六组功率引出端组件与十二组电路信号引出端，并搭建成多电平电路系统；功率半导体芯片焊连在安置在基体的衬板上；在所述基体上还安置有负载连接元件；所述外壳固定在所述基体上；所述的衬板通过第二主体面上的金属层与基体的第一主体面连接，所述第一主体面上连接有所述的负载连接元件以及用于焊连功率半导体芯片的衬板，并且在其对置的第二主体面上具有与一冷却结构相连并将热量传递到冷却结构上的非金属层；所述外壳通过孔定位固定在所述基体上与第一主体面贴合。

Description

一种功率半导体模块
技术领域
   本实用新型涉及的是一种功率半导体模块，属于电子封装技术领域。 
背景技术
   本实用新型设计的半导体功率模块设备主要用作整流器(converter)、换流器(inverter)、直流/直流转换及其他功率转换设备。半导体功率芯片主要以称为“功率半导体模块”的形式而被使用，通常将多个半导体功率芯片安装在本实用新型涉及的功率半导体模块。 
   这些半导体功率设备包括其中导通/截止操作由外部信号控制的晶体管、具有整流特征的二极管、其他设备。典型的晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘双栅双极晶体管(IGBT)和双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管。 
   如图1所示是一种与本实用新型相似的典型半导体功率模块，其引出包括最多4个信号端A和最多3个功率引出端B。有限的引出端限制了单个模块的电路集成度，在搭建多电平系统时连结复杂，成本高，系统不确定性更大。同时传统的功率引出端位置和结构也限制了衬板的利用率，也即降低了单个模块的功率密度。另外，从内部制作工艺上，半导体功率芯片与衬板之间采用固体片状焊料，真空回流焊后定位。衬板与基体采用膏状焊料，真空回流焊后固定。该种连接方式在生产中发现诸多问题，譬如半导体芯片不可控的移位和较大的气孔，以及在衬板与基体回流焊之后的焊料溢出和清洗问题，增加了生产成本，降低了成品率。信号引出线与信号引出端，使用电器焊料焊接固定，这种信号端的连接方式在使用时会出现信号引出端与PCB板焊接传递热量使焊点二次融化而导致模块失效的问题。通常会对驱动和保护电路及使用工况提出相对高的要求。 
如图1所示与本实用新型相似的典型半导体功率模块的外壳上的平台结构C、平面结构一D、平面结构二E在纵横方向上的不均匀及大面积的平面使得壳体注塑成型时容易产生波浪变形和双向的翘曲，在大批量生产中，尺寸稳定性难以得到保障。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能提高模块热性能和电气稳定性，丰富的引出使得多电平电路能集成到一个模块内，具有更经济，也更可靠的功率半导体模块。 
   本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的半导体功率模块，它主要包括基体，衬板，功率半导体芯片，功率引出端，电路信号引出端、外壳和支架；所述的功率模块最多设置有六组功率引出端组件与十二组电路信号引出端，并搭建成多电平电路系统；功率半导体芯片焊连在安置在基体的衬板上；在所述基体上还安置有负载连接元件；所述外壳固定在所述基体上。 
所述的衬板通过第二主体面上的金属层与基体的第一主体面连接，所述第一主体面上连接有所述的负载连接元件以及用于焊连功率半导体芯片的衬板，并且在其对置的第二主体面上具有与一冷却结构相连并将热量传递到冷却结构上的非金属层；所述外壳通过孔定位固定在所述基体上与第一主体面贴合。 
所述的功率半导体芯片至少包括下面两种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述的外壳上对应于负载连接元件开设有供负载连接元件的接触片插入的沟槽，并使所述负载连接元件只能在外壳与基体所限定空间内做垂直于第一主体面有限制的移动。 
所述的基体上面的衬板是由中间绝缘陶瓷层和上下覆合的导热金属材料层组成；所述的外壳是由饱和聚酯、半芳香烃聚酰胺、热塑性聚苯硫醚中的一种工程塑料聚合物制成， 
所述衬板的绝缘陶瓷层选用刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的导热金属材料为铜合金制成。
 所述衬板与基体之间通过真空回流焊接方式融接有一层金属层，并使金属层与基体之间有很好的润湿性能；所述衬板与基体通过所述金属层焊接后，不同材料分界面上的气孔占总焊接面积的比率小于3%。 
所述电路信号引出端与信号引出线之间采用电阻焊方式连接；所述功率半导体芯片与衬板之间的链接采用真空回流焊接方式，并且该焊接层的材料熔点高于衬板与基体之间的金属层。 
所述功率半导体芯片之间、功率半导体芯片上表面与衬板之间采用铝或者铜键合线的方式实现电气连接。 
所述键合线的材料选用硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排之一种；所述的功率半导体芯片上用凝胶质密封材料覆盖，且在凝胶质密封材料中混入了噪声吸收材料。 
所述负载连接元件的下端部设置有由U型缓冲弯结构构成的弹性区域。 
   本实用新型的创造性在于，有丰富的功率引出端和信号引出端使得多电平电路的实现变得更加容易；优化的端子引出位置提高了单位散热面积上的过电流密度，凸显了经济性。使用本实用新型能简化系统设计，使驱动保护电路趋于简单稳定，应用场合更加宽广。功率模块制造上看，减少了零部件数量，提高自动化程度，降低成本，提高成品率。 
   本实用新型的创造性还在于，它使用了结构优化的外壳，由于采用二维方向上都对称的功率引出端设计，同时国内塑料注塑工艺日益成熟，使得外壳上沟槽的尺寸与相对位置到使用精度，仅仅有微小的不平整和变形，大批量生产的稳定性强；外壳整体强度显著提高，具有优良的密封性能及精确的尺寸配合。另外，壳体内部不需要加强筋，为功率芯片布局提供更多空间，整体热阻下降；制造上，单件成型成品率高，更经济。 
附图说明
图1是现有技术的一种结构示意图。 
图2是本实用新型的封装结构结构示意图。 
图3是本实用新型的剖视结构示意图。    
图4是本实用新型所述的一种典型应用电路原理图。      
图5是本实用新型所述的另一种典型应用电路原理图。
附图中的标号有： 
图1中，A.信号引出孔,B.功率引出孔,C.平台结构,D.平面结构一,E.平面结构二；
图2中，1.半导体功率模块,2~13.沟槽,14.外壳,15.信号引出支架,16.信号引出线定位槽,17.信号引出端插槽,21~26.功率引出位置,31.负载连接元件,32.弹性区域,39.功率引出端组件,50.基体,51.基体第一主体面,52.弹性金属环,55.非金属层,63.衬板,64.衬板第二主体面,65.金属层,66.导热金属材料,67.绝缘陶瓷层,74.半导体芯片,76.半导体芯片表面,85~96.信号引出端,97.外壳固定平台,102.信号引出线,104.绝缘陶瓷层第一主体面,113.信号引出端焊接位置,122~133. 引号引出端定位槽。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作详细的介绍：图2、3所示，本实用新型所述的半导体功率模块，它主要包括基体，衬板，功率半导体芯片，功率引出端，电路信号引出端、外壳和支架；所述的功率模块最多设置有六组功率引出端组件39与十二组电路信号引出端85-96，并搭建成包括图4、5所示在内以及其所衍生的多电平电路系统；功率半导体芯片74焊连在安置在基体50的衬板63上；在所述基体50上海安置有负载连接元件31；所述外壳14固定在所述基体50上。 
所述的衬板63通过第二主体面64上的金属层65与基体50的第一主体面51连接，所述第一主体面51上连接有所述的负载连接元件31以及用于焊连功率半导体芯片74的衬板63，并且在其对置的第二主体面64上具有与一冷却结构相连并将热量传递到冷却结构上的非金属层55；所述外壳14通过孔定位固定在所述基体50上与第一主体面51贴合。 
所述的功率半导体芯片74至少包括下面两种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述的外壳14上对应于负载连接元件31开设有供负载连接元件31的接触片39插入的沟槽2-13，并使所述负载连接元件31只能在外壳14与基体50所限定空间内做垂直于第一主体面50有限制的移动。 
所述的基体50上面的衬板63是由中间绝缘陶瓷层67和上下覆合的导热金属材料层66组成；所述的外壳14是由饱和聚酯、半芳香烃聚酰胺、热塑性聚苯硫醚中的一种工程塑料聚合物制成， 
所述衬板63的绝缘陶瓷层67选用刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的导热金属材料66为铜合金制成。
 所述衬板63与基体50之间通过真空回流焊接方式融接有一层金属层65，并使金属层65与基体50之间有很好的润湿性能；所述衬板63与基体50通过所述金属层64焊接后，不同材料分界面上的气孔占总焊接面积的比率小于3%。 
所述电路信号引出端85-96与信号引出线[102]之间采用电阻焊方式连接；所述功率半导体芯片74与衬板63之间的链接采用真空回流焊接方式，并且该焊接层的材料熔点高于衬板63与基体50之间的金属层65。 
所述功率半导体芯片之间、功率半导体芯片上表面与衬板63之间采用铝或者铜键合线的方式实现电气连接。 
所述键合线的材料选用硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排之一种；所述的功率半导体芯片上用凝胶质密封材料覆盖，且在凝胶质密封材料中混入了噪声吸收材料。 
所述负载连接元件31的下端部设置有由U型缓冲弯结构构成的弹性区域32。 

Claims (10)

1.一种半导体功率模块，它主要包括基体，衬板，功率半导体芯片，功率引出端，电路信号引出端、外壳和支架；其特征在于所述的功率模块最多设置有六组功率引出端组件与十二组电路信号引出端，并搭建成多电平电路系统；功率半导体芯片焊连在安置在基体的衬板上；在所述基体上海安置有负载连接元件；所述外壳固定在所述基体上。
2.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于所述的衬板通过第二主体面上的金属层与基体的第一主体面连接，所述第一主体面上连接有所述的负载连接元件以及用于焊连功率半导体芯片的衬板，并且在其对置的第二主体面上具有与一冷却结构相连并将热量传递到冷却结构上的非金属层；所述外壳通过孔定位固定在所述基体上与第一主体面贴合。
3.根据权利要求1或2所述的半导体功率模块，其特征在于所述的功率半导体芯片至少包括下面两种芯片的组合之一:整流管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、肖特基二极管、半导体闸流管；所述的外壳上对应于负载连接元件开设有供负载连接元件的接触片插入的沟槽，并使所述负载连接元件只能在外壳与基体所限定空间内做垂直于第一主体面有限制的移动。
4.根据权利要求3所述的半导体功率模块，其特征在于所述的基体上面的衬板是由中间绝缘陶瓷层和上下覆合的导热金属材料层组成；所述的外壳是由饱和聚酯、半芳香烃聚酰胺、热塑性聚苯硫醚中的一种工程塑料聚合物制。
5.根据权利要求4所述的半导体功率模块，其特征在于所述衬板的绝缘陶瓷层选用刚玉氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的任一材料制成；所述的导热金属材料为铜合金制成。
6.根据权利要求4所述的半导体功率模块，其特征在于所述衬板与基体之间通过真空回流焊接方式融接有一层金属层，并使金属层与基体之间有很好的润湿性能；所述衬板与基体通过所述金属层焊接后，不同材料分界面上的气孔占总焊接面积的比率小于3%。
7.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于所述电路信号引出端与信号引出线之间采用电阻焊方式连接；所述功率半导体芯片与衬板之间的链接采用真空回流焊接方式，并且该焊接层的材料熔点高于衬板与基体之间的金属层。
8.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于所述功率半导体芯片之间、功率半导体芯片上表面与衬板之间采用铝或者铜键合线的方式实现电气连接。
9.根据权利要求8所述的半导体功率模块，其特征在于所述键合线的材料选用硅铝线、纯退火铝线、纯铝线排、纯退火铜线、纯铜线排之一种；所述的功率半导体芯片上用凝胶质密封材料覆盖，且在凝胶质密封材料中混入了噪声吸收材料。
10.根据权利要求3所述的半导体功率模块，其特征在于所述负载连接元件的下端部设置有由U型缓冲弯结构构成的弹性区域。
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