CN216054693U - 一种功率模块和功率器件 - Google Patents

Abstract

涉及功率半导体器件封装技术领域，本实用新型提供了一种功率模块和功率器件，所述功率模块包括绝缘基板、焊盘以及芯片；所述绝缘基板包括相互背离的第一表面以及第二表面，所述第二表面用于对接于散热器，所述第一表面开设有用于装配所述焊盘的连接槽；所述焊盘包括第一端面、侧面以及第二端面，所述第二端面对接于所述连接槽的底壁，所述侧面对接于所述连接槽的侧壁，所述第一端面供所述芯片焊接连接；所述功率器件包括所述功率模块；相比于传统的用于绝缘的矽胶片，本实用新型提供的所述绝缘基板具有优秀的耐磨性，其能够解决因为矽胶片磨损而导致元器件和散热器短路的问题。

Description

一种功率模块和功率器件

技术领域

本申请涉及功率半导体器件封装技术领域，尤其涉及一种功率模块和功率器件。

背景技术

空调电气控制系统，尤其是变频空调的电机控制系统，其中包含有大量的功率器件以及电力电子器件，比如可控硅、整流桥、PFC电路的IGBT和快恢复FRD、压缩机变频控制IPM模块、直流风机控制模块等；上述大电流大功率的器件在运行过程中会产生大量的热量,对于上述功率器件，其在正常工作时，大功率损耗会产生大量的热从而造成自升温，如果无法有效散热，产生的热量将不能及时排出，其失效率将随着温度升高而大幅增大。研究资料表明：功率器件的半导体元器件的温度每升高10℃，可靠性降低50％。温度的上升直接影响IGBT的热应力，严重时还会因温度过高而烧毁，直接影响到功率器件的寿命和可靠性。

目前，对于所述功率器件的封装结构，大致分为两种，一种是封装体背面露散热基板的半包封结构，另外一种是全包封结构。

目前对于所述功率器件，例如IGBT,它的器件散热结构背铜片是和集电极相通，像这种半包封结构的功率器件在空调的运用中是通过在散热器与器件之间粘贴矽胶片散热，矽胶片很薄，长期下去有磨损的风险；且一旦矽胶片不完整，器件的背面就会和散热器直接接触，高压下容易出现事故。

发明内容

本实用新型提供了一种功率半导体器件封装结构，以解决现有技术中的因用于绝缘的矽胶片磨损而导致元器件和散热器短路的问题。

本实用新型提供了一种功率模块，包括绝缘基板、焊盘以及芯片；所述绝缘基板包括相互背离的第一表面以及第二表面，所述第二表面用于对接于散热器，所述第一表面开设有用于装配焊盘的连接槽；所述焊盘包括第一端面、侧面以及第二端面，所述第二端面对接于所述连接槽的底壁，所述侧面对接于所述连接槽的侧壁，所述第一端面供所述芯片焊接连接。

优选的，所述第一表面还设有桥接槽，所述桥接槽位于所述连接槽一侧，且所述桥接槽与所述连接槽连通，连接于所述焊盘一侧的桥接板固定于所述桥接槽内。

4.优选的，所述焊盘第一端面设有环槽，所述环槽位于所述焊盘与所述芯片焊接区外侧。

优选的，还包括第一引脚以及第二引脚，所述第一引脚连接于所述芯片的第一电极；所述第二引脚通过所述焊盘连接于所述芯片的第二电极。

优选的，所述连接槽的深度小于或等于所述绝缘基板厚度的50％。

优选的，所述绝缘基板包括陶瓷基板，或者，所述绝缘基板包括陶瓷基板以及铜基板。

优选的，所述芯片面积等于所述焊盘面积；或者，

所述芯片面积略小于所述焊盘面积；或者，

所述芯片面积略大于所述焊盘面积。

优选的，所述焊盘与所述绝缘基板之间结合面为焊接连接面。

优选的，所述陶瓷基板采用氧化铝陶瓷基板或者氮化铝陶瓷基板。

本实用新型还提供一种功率器件，包括封装体、散热器以及如前任一项所述的功率模块。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

相比于传统的用于绝缘的矽胶片，本实用新型提供的所述绝缘基板具有优秀的耐磨性，其能够解决因为矽胶片磨损而导致元器件和散热器短路的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的功率器件正视结构示意图。

图2为本申请实施例提供的绝缘基板的左视结构示意图。

附图说明：1-第一引脚，2-第二引脚，3-焊线，4-芯片，5-封装体，6-铜基板，7-陶瓷基板，8-散热器，9-焊盘，10-环槽，11-桥接板。

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，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了解决现有技术中的功率半导体器件中绝缘用的矽胶片容易磨损而导致功率半导体器件容易短路的问题，本实用新型提供一种功率器件；所述的功率器件的封装结构的具体结构请参阅图1和图2，其中图1是本申请实施例提供的功率器件正视结构示意图，图2是本申请实施例提供的功率模块的左视结构示意图；

本实用新型提供的功率器件封装结构中，在所述封装体5内，在所述散热器8和所述芯片4之间设置所述绝缘基板，所述绝缘基板代替所述矽胶片将所述芯片4和所述散热器8绝缘隔离；

所述矽胶片也叫导热硅胶垫，导热硅胶片具有良好的导热能力和高等级的耐压，是极具工艺性和实用性的导热材料。

具体的，本实用新型提供一种功率模块，所述功率模块包括绝缘基板、焊盘9以及芯片4；所述绝缘基板包括相互背离的第一表面以及第二表面，所述第二表面用于对接于用于散热的散热器8，所述第一表面开设有用于装配焊盘9的连接槽；所述焊盘9包括第一端面、侧面以及第二端面，所述第二端面对接于所述连接槽的底壁，所述侧面对接于所述连接槽的侧壁，所述第一端面供所述芯片4焊接连接。

优选的，所述芯片4可以为IGBT、FRD、MOSFET等半导体芯片，亦可为第三代半导体碳化硅等半导体芯片,本实用新型不对所述芯片4的类型进行限制，本领域的技术人员可以根据实际需要选择合适的芯片。

优选的，所述焊盘9优选为铜制，所述芯片4焊接于所述焊盘9的上端面，所述焊盘9焊接于所述连接槽中；上述设计的“镶嵌”设计，使所述焊盘9的四面侧面也与所述绝缘基板的连接槽相接触，从而很大程度的增加了所述焊盘9与所述绝缘基板的接触面积；由于所述芯片4产生的热量要依次经过所述焊盘9、所述绝缘基板、散热器8而传导出去，上述设计受于焊盘9和所述绝缘基板的接触面积增加的影响，散热速率会增加。同时，所述焊盘9镶嵌在所述绝缘基板，使所述功率半导体器件封装结构的整体厚度降低。本实用新型不对所述焊盘9的形状进行限定，本领域的技术人员可以根据所述芯片4的具体形状以及具体工艺需要设置所述焊盘9的形状。

优选的，所述焊盘9的一侧设有桥接板11；所述桥接板11与所述焊盘9电连接；所述桥接板11可以与所述焊盘9直接接触；进一步的，所述桥接板11优选为铜制；更进一步的，所述桥接板11与所述焊盘9为一体成型；引脚需要通过桥接板11与所述芯片4电性连接，所述桥接板11与所述焊盘9均优选为铜制，有利于提高所述桥接板11和焊盘9的导电性。

所述的绝缘基板的第一表面对应所述桥接板11开设有桥接槽，所述桥接槽位于所述连接槽一侧；为了使所述桥接板11和所述焊盘9直接连接，所述桥接槽与所述连接槽连通；连接于所述焊盘9一侧的桥接板11固定于所述桥接槽内。

进一步的，所述桥接板11镶嵌于所述桥接槽中，也就是所述桥接板11的底面以及至少两面侧面与所述桥接槽相抵接；上述设计的目的在于增加绝缘基板与所述桥接板11的接触面积，从而提高所述功率模块的散热能力。

本领域技术人员将所述芯片4焊接于所述焊盘9的过程中，焊接用的焊料容易从所述芯片4的侧面溢出，焊料从所述芯片4的侧面溢出并爬升过高，会严重影响芯片4的性能；为了解决上述问题，优选的，在所述焊盘9的第一断面开设有引流槽，所述引流槽的作用为引流多余的所述焊料，从而避免多余焊料从芯片4的周围溢出。

所述引流槽可以为设于所述焊盘9的第一端面的焊接区外侧的环槽10。

所述引流槽也可以为设于所述焊盘9的第一端面的焊接区外侧的条形槽。

所述引流槽可以设置为一条或者多条。

所述引流槽的截面可以为矩形或者半圆形或者其他形状。

应当理解的是，所述引流槽的作用在于：在焊接所述芯片4时导流多余的焊料；为了能实现上述技术效果，本领域的技术人员还可以选用其他形状的引流槽。

所述功率模块还包括第一引脚1以及第二引脚2，所述第一引脚1连接于所述芯片4的第一电极；所述第二引脚2连接于所述芯片4的第二电极。

进一步的，所述第一引脚1通过焊线3与所述芯片4的所述第一电极连接；所述焊线为优良的导电材质，用以实现芯片4与引脚良好的电性连接。

进一步的，所述第二引脚2通过所述桥接板11与所述芯片4的所述第二电机连接。

进一步的，所述第一电极为所述芯片4的正面电极引出端，所述第二电极为所述芯片4的背面电极引出端。

应当理解的是，上述只是芯片4的电路布局的一种实施例，本领域技术人员可以根据芯片4的具体种类，所述功率模块的具体用途连接不同数量的引脚。

优选的，所述绝缘基板包括陶瓷基板7，或者，所述绝缘基板包括陶瓷基板7以及铜基板6；所述铜基板6连接于所述铜基板6和所述散热器8之间，所述陶瓷基板7焊接于所述铜基板6，所述铜基板6作为承载所述散热器8的作用。

所述陶瓷基板7作为一种陶瓷材料，其主要成分为无机非金属材料，具有优异的绝缘性能；同时，陶瓷基板7相比于在所述功率半导体器件封装结构中常用的矽胶片，其具有更高的结构强度，所以陶瓷基板7不会在使用过程中因为磨损而被“击穿”，其代替所述矽胶片能够提高所述功率半导体器件的安全性和使用寿命；在无机非金属的绝缘材料中，陶瓷具有优秀的导热性能，陶瓷基板7设于所述芯片4和所述散热器8之间并不会影响热量的传导，所述芯片4工作时产生的热量能够通过所述陶瓷基板7较快的传导到所述散热器8；同时，陶瓷材料的化学性质稳定，除了氢氟酸外,陶瓷材料不与其他无机酸反应,抗腐蚀能力强；陶瓷材料耐高温也抗氧化，非常适合使用在长期在高温环境中使用的所述功率半导体器件中。

所述陶瓷基板7优选采用氧化铝陶瓷基板或者氮化铝陶瓷基板；

所述氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al₂O₃)为主晶相的陶瓷材料，其优点在于，在具有优良的导热性、绝缘性，高频损耗比较小，高频绝缘性好的特点的同时，其洛氏硬度达到HRA80-90，硬度仅仅只是次于金刚石，远远的超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能，所述氧化铝陶瓷耐磨性是相当于锰钢的266倍以及高铬铸铁的171.5倍。在同等的工况下它可至少延长设备使用寿命十倍以上，采用氧化铝陶瓷作为绝缘基板能够有效的延长功率模块的使用寿命；所述氧化铝陶瓷的密度仅为3.5g/cm³，仅仅只是钢铁的一半，其作为功率模块的绝缘基板可以大大减轻器件的整体的重量。

所述氮化铝陶瓷是以氮化铝(AlN)为主晶相的陶瓷材料，其综合性能优良，理论热导率为320W/(m)，相比于其他的陶瓷材料具有更加优良的热传导性，其使用在所述功率模块的绝缘基板，能够提高所述功率模块的散热性能，增加所述功率模块的芯片的使用寿命，从而增加所述功率模块的使用寿命；在具有优异的导电性的同时，所述氮化铝陶瓷还具有可靠的电绝缘性，低介电常数和损耗，无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等特点。

在所述绝缘基板上开设所述桥接槽与所述连接槽的过程中，由于裂纹的产生以及开槽处厚度的减少，所述桥接槽与所述连接槽或多或少的会影响所述绝缘基板的强度，为了避免在开设所述桥接槽与所述连接槽后所述绝缘基板的强度低于功率模块的要求，优选的，连接槽或桥接槽的深度小于或等于所述绝缘基板厚度的50％。

进一步的，所述陶瓷基板7因为其是陶瓷材料制成，而陶瓷材料具有一定的脆性，其在开设所述桥接槽与所述连接槽的过程中会产生裂纹，所以为了不明显影像所述陶瓷基板7的整体强度，优选的，所述连接槽或桥接槽的深度小于或等于所述陶瓷基板7的厚度的50％。

在具体的实施例中，所述芯片4面积等于所述焊盘9面积；或者，所述芯片4面积略小于所述焊盘9面积；或者，所述芯片4面积略大于所述焊盘9面积。

优选的，所述桥接槽的宽度不大于绝缘基板的宽度，所述桥接槽的长度不大于所述绝缘基板的长度；所述桥接槽可以开设在所述绝缘基板的第一表面的正中心位置。

本实用新型还提供一种功率器件，所述功率器件包括封装体5、散热器8以及如前所述的功率模块；

所述封装体5至少包裹封装所述功率模块，其作用在于保护所述功率模块，同时，由于所述封装体5代替了周围的空气，所述封装体5可以加快所述功率模块的散热，避免芯片4产生的热量聚集。

进一步的，所述封装体5采用热固性树脂封装；所述热固性树脂优选为环氧树脂，相比于其他类型的热固性树脂，所述环氧树脂的有点在于：第一，环氧树脂粘结力强，机械强度高，对被其包覆的所述芯片4起到良好的保护作用；第二，所述环氧树脂的分子中有多种极性基团，如羟基(—OH)和醚基(—O—)，由于这些基团的极化，使环氧树脂分子与相邻物面产生电磁吸力，而环氧基与含有活泼氢的金属表面形成化学键粘结很牢，因此，粘结力特别强，特别适用于多为金属材料的功能半导体器件；第三，因所述环氧树脂在固化时无小分子生成，故而密度大，固化时收缩率低，约2％。尺寸稳定，其蠕变性能比聚酯、酚醛低；第四，环氧树脂的耐腐蚀性良好，而其他的树脂，如酚醛、聚酯，大多都不耐碱，而环氧树脂耐碱较好，同时对酸和有机溶剂的抗腐蚀性也良好。用酸酐作固化剂时也能耐酸，所以使用环氧树脂包覆的功率半导体器件能够在复杂的环境下使用；重要的是，环氧树脂的热稳定性达到250℃以上，特别适合在高温环境下使用。

进一步的，芯片4产生的热量可以依次通过所述绝缘基板、散热器8而散发到周围的空气中去，所述散热器8的作用在于提高所述芯片4与周围空气的接触面积，从而能够使芯片4产生的热量能够更加快速的散发出去；所述散热器8优选为铜制，所述铜制材料在具有较高的散热性能的同时还具有合理的价格；所述散热器8的形状可以为翅片式散热器或者管式散热器；应当理解的是，上述散热器8的选型仅为某几个具体实施例，本领域的技术人员为了达到给所述芯片4散热这一技术效果，可以选用其他材料或者其他形状的散热器8。

所述功率器件可以是半包封结构也可以是全包封结构。

所述半包封结构是指所述封装体5包裹住所述功率模块，所述散热器8不被所述封装体5所包裹，所述全包封结构是指封装体5将所述散热器8和所述功率模块均包裹住；本领域的技术人员可以根据所述功率器件的实际使用情况以及加工难易程度选择所述半包封结构或者选择所述全包封结构。

本实用新型还提供一种所述的功率器件的生产方法。

所述的功率器件的生产方法优选为：

步骤1，在所述焊盘9的第一端面开设引流槽，所述引流槽可以为所述环槽10。

步骤2：在所述绝缘基板7的第一表面开设所述桥接槽与所述连接槽，可以采用开槽机开设所述桥接槽与所述连接槽。

步骤3：将所述焊盘9和所述桥接板11分别镶嵌于所述连接槽和所述桥接槽，镶嵌于所述桥接槽与所述连接槽的桥接板11和所述焊盘9均通过焊接固定。

步骤4，将所述绝缘基板的焊接在所述散热器8上；具体的，如果所述绝缘基板为所述陶瓷基板7，则将所述陶瓷基板7直接焊接于所述散热器8；如果所述绝缘基板包括所述陶瓷基板7和所述铜基板6，首先将所述铜基板6的一面焊接于所述散热器8，再将所述陶瓷基板7的未开设所述桥接槽与所述连接槽的一面焊接于所述铜基板6的另一面。

步骤5，将所述芯片4焊接在所述焊盘9的所述第一端面。

步骤6，将所述芯片4通过所述焊线3和所述桥接板11与所述引脚进行电气连接；

步骤7，将连接好的芯片4、绝缘基板、散热器8、引脚放置在注塑模具内塑封形成所述封装体5；如果是所述半包封结构，所述散热器8露出所述封装体5，所述引脚的一部分露出所述封装体5；如果是全包封结构，所述散热器8被包裹入所述封装体5，所述引脚的一部分露出所述封装体5。

应当理解的是，上述生产方法的某些步骤是可以替换位置的，为了适应生产车间中的具体的生产设备的类型以及生产线的布局，所述的某些步骤的实施顺序是可以自由替换的，比如，本领域的技术人员可以先将所述绝缘基板7焊接于所述散热器8(所述步骤4)；再将所述绝缘基板7的第一表面开设所述桥接槽与所述连接槽(所述步骤2)；再将所述焊盘9和所述桥接板11分别镶嵌于所述连接槽与所述桥接槽，镶嵌于所述桥接槽与所述连接槽的桥接板11和所述焊盘9均通过焊接固定(所述步骤3)；最后再对所述焊盘9的第一端面进行开槽处理(所述步骤1)。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功率模块，其特征在于，包括绝缘基板、焊盘(9)以及芯片(4)；所述绝缘基板包括相互背离的第一表面以及第二表面，所述第二表面用于对接于散热器(8)，所述第一表面开设有用于装配所述焊盘(9)的连接槽；所述焊盘(9)包括第一端面、侧面以及第二端面，所述第二端面对接于所述连接槽的底壁，所述侧面对接于所述连接槽的侧壁，所述第一端面供所述芯片(4)焊接连接。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一表面还设有桥接槽，所述桥接槽位于所述连接槽一侧，且所述桥接槽与所述连接槽连通，连接于所述焊盘(9)一侧的桥接板(11)固定于所述桥接槽内。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述焊盘(9)第一端面设有环槽(10)，所述环槽(10)位于所述焊盘(9)与所述芯片(4)焊接区外侧。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括第一引脚(1)以及第二引脚(2)，所述第一引脚(1)连接于所述芯片(4)的第一电极；所述第二引脚(2)通过所述焊盘(9)连接于所述芯片(4)的第二电极。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述连接槽的深度小于或等于所述绝缘基板厚度的50％。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘基板包括陶瓷基板(7)，或者，所述绝缘基板包括陶瓷基板(7)以及铜基板(6)。

7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述芯片(4)面积等于所述焊盘(9)面积；或者，

所述芯片(4)面积略小于所述焊盘(9)面积；或者，

所述芯片(4)面积略大于所述焊盘(9)面积。

8.根据权利要求1-7任一所述的功率模块，其特征在于，所述焊盘(9)与所述绝缘基板之间结合面为焊接连接面。

9.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述陶瓷基板(7)采用氧化铝陶瓷基板或者氮化铝陶瓷基板。

10.一种功率器件，包括封装体(5)、散热器(8)以及如权利要求1-9任一项所述的功率模块。

Images