CN211428144U - 一种封装体散热结构及功率半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种封装体散热结构及功率半导体器件，封装体散热结构包括：封装体，散热片，以及设置在封装体与散热片之间的DBC基板，DBC基板能够在封装体与散热片之间实现绝缘，并能够使封装体的热量传递到散热片上；DBC基板的顶部金属层电连接有集电极引脚，DBC基板的顶部金属层与集电极引脚一体成型，DBC基板的陶瓷层上设置有栅极引脚和发射极引脚。通过在封装体与散热片之间设置DBC基板，由于DBC基板中间陶瓷层的绝缘性能，不需要封装体与散热片之间添加绝缘材料，保证了封装体与散热片之间良好的绝缘，同时又不影响封装体的散热性能。采用上述封装体散热结构的功率半导体器件节能，高效，且具有良好的系统可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件领域，尤其涉及一种封装体散热结构及功率半导体器件。
背景技术
目前，“晶体管外形”封装(Transistor Outline，简称“TO”)使用引线框架作为芯片的载体和连接引脚，其常见的封装形式如“TO-3P”式，引线框架常常使用导热系数较高的铜合金材质，在应用时，铜合金材质无法实现芯片与散热片之间的绝缘，因此，需要在引线框架与散热片之间添加绝缘片，但绝缘片的导热系数较低，又在一定程度上影响了芯片的散热性能。如图1所示，显示了一种现有的封装体散热结构，为了实现TO-3P封装体2与散热片1之间的绝缘，在引线框架2-2底部与散热片1之间添加一层绝缘材料2-1，绝缘材料2-1通常为树脂片。引线框架2-2底部和散热片1之间的绝缘材料2-1虽然起到了良好的绝缘作用，但由于其导热系数较小，一般小于5W/(m2·K)，极大的影响了TO-3P封装体的散热性能，从而限制了TO-3P封装体的功率，进而影响了TO-3P封装体的使用和推广。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种封装体散热结构及功率半导体器件，用于解决上述全部或部分技术问题。
第一方面，本申请提供一种封装体散热结构，包括：封装体、散热片以及设置在所述封装体与所述散热片之间的DBC基板，所述DBC基板能够在所述封装体与所述散热片之间实现绝缘，并能够使所述封装体的热量传递到所述散热片上；其中，所述DBC基板的顶部金属层电连接有集电极引脚，所述DBC基板的顶部金属层与所述集电极引脚一体成型，所述DBC基板的陶瓷层上设置有栅极引脚和发射极引脚。
该封装体散热结构在封装体和散热片之间设置DBC基板，不仅实现了封装体与散热片之间的绝缘，同时还不影响封装体的散热效果，解决了现有技术中为了实现封装体和散热片之间的绝缘，需要牺牲封装体散热效果的技术问题。并且，本申请的封装体散热结构中，集电极引脚与DBC基板的顶部金属层一体成型，保证了DBC基板的顶部金属层与集电极引脚之间良好的位置和连接关系，从而保证了封装体中的芯片能够实现相应的功能，提高了封装体的稳定性和可靠性。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述封装体为TO-3P、TO-220或TO-247式封装体。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述DBC基板的顶部金属层和底部金属层均为无氧铜箔。由于无氧铜材料良好的导热性能，可以有效提高封装体在使用时的散热性能。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述DBC基板的陶瓷层的导热系数位于27-180W/(m2·K)范围内。此系数范围内的陶瓷层可以保证良好绝缘的同时，又不影响封装体的散热效果。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述DBC基板的顶部金属层和底部金属层的导热系数不小于260W/(m2·K)。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述DBC基板的顶部金属层上安装有半导体芯片，所述半导体芯片为IGBT芯片。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述IGBT芯片的栅极和发射极通过键合线分别与所述栅极引脚和所述发射极引脚电连接，所述IGBT芯片的集电极与所述集电极引脚电连接。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述IGBT芯片的集电极通过导电粘结材料与所述DBC基板的顶部金属层电连接。导电粘结材料可以保证集电极与DBC基板之间良好的电连接。
第二方面，本申请提供一种功率半导体器件，其采用根据第一方面所述的封装体散热结构。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
本申请在封装体与散热片之间设置DBC基板，由于DBC基板中间陶瓷层的绝缘性能，不需要封装体与散热片之间添加绝缘材料，保证了封装体与散热片之间良好的绝缘，同时又不影响封装体的散热性能。并且，由于DBC基板的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数更加接近，在封装过程中，减小了封装体受热膨胀时由于热膨胀系数不匹配引起的分层不良的风险，提升了封装体结构的可靠性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：
图1为现有技术中的封装体散热结构的示意图；
图2为本实用新型中封装体散热结构的示意图；
图3为本实用新型中封装体散热结构的透视图；
图4为图3的侧视图；
图5为本实用新型中封装体散热结构的立体图。
图中：1散热片，2封装体，2-1绝缘材料，2-2引线框架，3DBC基板，3-1陶瓷层，3-2顶部金属层，3-3底部金属层，4半导体芯片，5集电极引脚，6栅极引脚，7发射极引脚，8键合线，9塑封体。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
为清楚说明本实用新型的设计思想，下面结合实施例对本实用新型进行说明。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。
如图2-图5所示，本实用新型提供了一种封装体散热结构，包括封装体，散热片1，以及设置在封装体与散热片1之间的DBC基板3，DBC基板3能够在封装体与散热片1之间实现绝缘，并能够使封装体的热量传递到散热片1上；其中，DBC基板3的顶部金属层3-2电连接有集电极引脚5，DBC基板3的顶部金属层3-2与集电极引脚5一体成型，DBC基板3的陶瓷层3-1上设置有栅极引脚6和发射极引脚7。
覆铜陶瓷(Direct Bonding Copper，简称为“DBC”)基板简称陶瓷覆铜板，由顶部金属层3-2、中间陶瓷层3-1以及底部金属层3-3构成，具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性。通过将现有的引线框架与其下部的绝缘材料替换为在封装体与散热片1之间安装的DBC基板3，使绝缘介质由原来的树脂材料转换为导热系数更高的DBC基板3中的陶瓷层3-1，有效改善了封装体的散热效果。通过与散热片1紧贴设置的DBC基板3，能够将半导体芯片4在应用时产生的热量更加直接、顺畅的传递到散热片1上，进而通过散热片1传递到外部环境中，明显提高了封装体的散热性能，从而降低了对封装体功率的限制影响。
从实现封装体应用功能的角度出发，将DBC基板3顶部金属层3-2与集电极引脚5一体成型，且在DBC基板3的陶瓷层3-1上设置栅极引脚6以及发射极引脚7，保证了封装体中的芯片在能够实现相应功能的前提下，有效提高了引脚与DBC基板3在封装后整体结构的稳固性，使封装体在具体应用时更加可靠。
DBC基板3的热膨胀系数相比引线框架更加接近于芯片的热膨胀系数，匹配性更优，大幅提升了元器件的使用可靠性以及电子设备的系统可靠性；并且，适用性较为广泛的DBC基板3，结构简单，加工难度小，能够更加满足电子设备大规模工业生产的需求，便于后续在产业上的推广。
通过DBC基板3的陶瓷层3-1，能够实现半导体芯片4底部电极与散热片1的电路绝缘，进而使封装体与散热片1之间构成有效绝缘，在满足封装体正常使用功能的前提下，得到更好的散热效果。DBC基板3的陶瓷层3-1导热系数位于27-180W/(m2·K)范围内，在该范围内的陶瓷层3-1可以保证良好绝缘的同时，又不影响封装体的散热效果。相较于现有的绝缘树脂片，导热系数高的陶瓷层3-1能够更好更快的将封装体的热量向下部的散热片1进行传递，兼具可靠绝缘及高效传热的优点。
本实施例中DBC基板3的陶瓷层3-1为平板结构，金属层包括贴附在陶瓷层3-1顶、底壁面上的顶部金属层3-2及底部金属层3-3，半导体芯片4安装在顶部金属层3-2的顶壁上，顶部金属层3-2的底壁与陶瓷层3-1的顶壁贴合。该种设置方式，通过陶瓷层3-1实现了半导体芯片4底部电极与底部金属层3-3之间的电路绝缘，从而实现封装体与散热片1之间的绝缘。封装体与散热片1进行装配时，不需要再在封装体与散热片1之间添加额外的绝缘层，从而通过导热系数更高的陶瓷层3-1，将封装体在应用时产生热量传递到散热片1上，有效改善封装体应用时的散热效果。
底部金属层3-3的顶壁与陶瓷层3-1的底壁贴合，同时底部金属层3-3的底壁与散热片1贴合，使底部金属层3-3与散热片1构成相对一体的散热导体，拓宽了陶瓷层3-1接收到的热量向下部传递的散热通道，能够保证在具体应用时热量传递的更加顺畅。
DBC基板3的顶部金属层3-2及底部金属层3-3均为高纯无氧铜箔，具有良好的导热性能，导热系数在260W/(m2·K)以上，进一步保证了热量在DBC基板3由上向下快速传递，提高了封装体与散热片1之间的换热效率。
本实施例中的封装体为TO-3P封装体，在DBC基板3顶部金属层3-2上安装的半导体芯片4具体为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)芯片，IGBT芯片包括集电极、栅极及发射极。在封装体的组配过程中，通过导电粘结材料将IGBT芯片粘结在DBC基板3的顶部金属层3-2上，保证了半导体芯片4与DBC基板3之间的良好的电连接关系，且粘结牢靠，结构稳固。
相对应的，在DBC基板3顶部金属层3-2上电连接有集电极引脚5，且集电极引脚5与顶部金属层3-2为一体成型的形式。具体来讲，从封装体的实现功能角度，DBC基板3的顶部金属层3-2替换了现有的引线框架，具有结构简单，加工难度小等优点，从而便于大规模的工业生产。
IGBT芯片的栅极通过键合线8与栅极引脚6电连接，发射极通过键合线8与发射极引脚7电连接，集电极通过导电粘结材料实现与集电极引脚5的电连接。且栅极引脚6与发射极引脚7分别设置在集电极引脚5的两侧，该种设置方式能够使封装体在塑封体9对组配后的组件进行封装时，引脚与塑封体9之间不留缝隙，使塑封后整体的TO-3P封装体更加稳固。
保持带有集电极引脚的DBC基板外形与现有的引线框架封装外形相同的目的在于，在产品测试及应用时，可以共用现有封装体的夹具、设备及安装电路板，避免大面积的更换造成的额外成本，从而更加有利于推广。
本实用新型还提供了一种采用上述封装体散热结构的功率半导体器件，通过采用DBC基板取代现有的TO-3P封装体的引线框架以及绝缘树脂材料，在满足了绝缘的功能前提下，能够得到更好的散热效果，从而有效降低对功率造成的影响，使功率半导体器件的使用更加节能，高效，且具有良好的系统可靠性。
需要说明的有，DBC基板除了满足本实用新型中IGBT芯片的使用需求，同样适用于其他产品中，绝缘树脂材料对散热效果造成影响的使用环境。需要指出，采用DBC基板同时实现TO-220或TO-247式封装体内绝缘及散热功能的技术方案也应在本实用新型的保护范围之内。
最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种封装体散热结构，其特征在于，包括：封装体、散热片以及设置在所述封装体与所述散热片之间的DBC基板，所述DBC基板能够在所述封装体与所述散热片之间实现绝缘，并能够使所述封装体的热量传递到所述散热片上；
其中，所述DBC基板的顶部金属层电连接有集电极引脚，所述DBC基板的顶部金属层与所述集电极引脚一体成型，所述DBC基板的陶瓷层上设置有栅极引脚和发射极引脚。
2.根据权利要求1所述的封装体散热结构，其特征在于，所述封装体为TO-3P、TO-220或TO-247式封装体。
3.根据权利要求2所述的封装体散热结构，其特征在于，所述DBC基板的顶部金属层和底部金属层均为无氧铜箔。
4.根据权利要求3所述的封装体散热结构，其特征在于，所述DBC基板的陶瓷层的导热系数位于27-180W/(m2·K)范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的封装体散热结构，其特征在于，所述DBC基板的顶部金属层和底部金属层的导热系数不小于260W/(m2·K)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的封装体散热结构，其特征在于，所述DBC基板的顶部金属层上安装有半导体芯片，所述半导体芯片为IGBT芯片。
7.根据权利要求6所述的封装体散热结构，其特征在于，所述IGBT芯片的栅极和发射极通过键合线分别与所述栅极引脚和所述发射极引脚电连接，所述IGBT芯片的集电极与所述集电极引脚电连接。
8.根据权利要求7所述的封装体散热结构，其特征在于，所述IGBT芯片的集电极通过导电粘结材料与所述DBC基板的顶部金属层电连接。
9.一种功率半导体器件，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的封装体散热结构。
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| CN202020185049.XU CN211428144U (zh) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | 一种封装体散热结构及功率半导体器件 |
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|---|---|---|---|---|
| CN112864113A (zh) * | 2021-02-10 | 2021-05-28 | 华为技术有限公司 | 功率器件、功率器件组件与相关装置 |
| CN118448401A (zh) * | 2024-04-30 | 2024-08-06 | 江苏易矽科技有限公司 | 一种插件封装SiC MOSFET半桥结构及制备方法 |
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