CN217903114U - 功率半导体器件与功率模块 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种功率半导体器件的功率半导体器件与功率模块，属于功率半导体器件技术领域。功率半导体器件包括：塑封体外壳；引线框架，所述引线框架包括基岛区，所述塑封体外壳与所述基岛区围合形成芯片容置空间；绝缘层，所述绝缘层设置于所述芯片容置空间内；逆导芯片，所述逆导芯片通过所述绝缘层设置于所述基岛区靠近所述塑封体外壳的一侧表面，所述逆导芯片为集成绝缘栅双极型晶体管和续流二极管的芯片。本实用新型针对逆导芯片，提供的功率半导体器件将绝缘层内置于塑封体外壳内，可避免装配过程中绝缘层受损的情况出现。

Description

功率半导体器件与功率模块
技术领域
本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种功率半导体器件与功率模块。
背景技术
对于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件而言，IGBT芯片通过焊料直接焊接在引线框架上形成功率器件，然后功率器件在这装配过程中，搭配绝缘膜安装至设计位置处，也即是现有技术中，IGBT芯片采用外置绝缘膜的方式进行散热。
但是，在装配过程中，外置绝缘膜存在由于压力差异导致的穿孔异常等绝缘膜破损的情况。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是提供一种功率半导体器件与功率模块，旨在解决现有技术中功率模块在装配过程中因外置绝缘膜存在的破损的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提出的一种功率半导体器件，包括：
塑封体外壳；
引线框架，所述引线框架包括基岛区，所述塑封体外壳与所述基岛区围合形成芯片容置空间；
绝缘层，所述绝缘层设置于所述芯片容置空间内；
逆导芯片，所述逆导芯片通过所述绝缘层设置于所述基岛区靠近所述塑封体外壳的一侧表面，所述逆导芯片为集成绝缘栅双极型晶体管和续流二极管的芯片。
在一实施例中，所述绝缘层为陶瓷敷铜层。
在一实施例中，所述功率半导体器件还包括：
锡膏层，所述锡膏层设置于所述逆导芯片与所述绝缘层的背离所述引线框架的一侧表面之间。
在一实施例中，所述功率半导体器件还包括：
发射极管脚，所述发射极管脚包括相连接的第一焊接区和第一引出区，所述逆导芯片的发射极与所述第一焊接区电性连接；
控制极管脚，所述控制极管脚包括相连接的第二焊接区和第二引出区，所述逆导芯片的控制极与所述第二焊接区电性连接；
其中，所述逆导芯片、所述第一焊接区和所述第二焊接区均封装于所述塑封体外壳内，所述第一引出区延伸出所述塑封体外壳的一侧侧壁，以形成所述功率半导体器件的发射极，所述第二引出区延伸出所述塑封体外壳的一侧侧壁，以形成所述功率半导体器件的控制极。
在一实施例中，所述逆导芯片的发射极通过铝带与所述第一焊接区超声波键合连接；和/或
所述逆导芯片的控制极通过铝带与第二焊接区超声波键合连接。
在一实施例中，所述逆导芯片的发射极通过铜夹与所述第一焊接区超声波键合连接；和/或
所述逆导芯片的控制极通过铜夹与第二焊接区超声波键合连接。
在一实施例中，所述第一引出区和所述第二引出区均沿朝向所述引线框架的方向弯折形成Z字形。
在一实施例中，所述第一引出区和所述第二引出区均沿背离所述引线框架的方向弯折形成Z字形。
在一实施例中，所述引线框架还包括与所述基岛区相连接的引脚区，所述引脚区的一侧侧边的至少部分沿朝向所述塑封体外壳的方向弯折形成至少一个引脚；
所述引脚远离所述基岛区的一端弯折形成L形。
第二方面，本申请还提供了一种功率模块，包括如上述的功率半导体器件。
本实用新型技术方案针对逆导芯片，通过采用在塑封体外壳与引线框架的基岛区形成的芯片容置空间内，集成有绝缘栅双极晶体管和续流二极管的逆导芯片直接通过绝缘层与基岛区固定于一起，从而将绝缘层内置于芯片容置空间内，可避免在装配过程中外置绝缘膜结构存在的绝缘膜因压力差异导致的穿孔异常，或者热阻匹配差异带来的器件失效的情况发生。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型功率半导体器件一实施例的主视图；
图2为本实用新型功率半导体器件另一实施例的侧视图；
图3为本实用新型功率半导体器件又一实施例的结构示意图；
图4为本实用新型功率半导体器件再一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 引线框架 11 基岛区
12 引脚区 13 引脚
20 绝缘层 30 逆导芯片
31 控制极 32 发射极
40 塑封体外壳 50 铝线
61 铝带 62 铜夹
71 控制极管脚 711 第二引出区
712 第二焊接区 72 发射极管脚
721 第一引出区 722 第一焊接区
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
相关技术中，功率器件IGBT是伺服驱动系统的关键器件，对电机驱动成本和可靠性影响较重。一般而言，IGBT芯片通过焊料直接焊接在引线框架上形成功率器件，然后功率器件在这装配过程中，搭配绝缘膜安装至设计位置处，也即是现有技术中，IGBT芯片采用外置绝缘膜的方式进行散热。
但是，在装配过程中，外置绝缘膜存在由于压力差异导致的穿孔异常等绝缘膜破损的情况。且在实际应用中，不同种类的绝缘层对终端应用及装配都有不同类型的要求，导致在装配过程中容易出现因压力差异导致的穿孔异常或者热阻匹配差异带来的器件失效等情况。
为此，本申请提供了一种功率半导体器件，该功率半导体器件通过将绝缘层内置于塑封体外壳内，从而避免装配过程中因压力差异导致的穿孔异常或者热阻匹配差异带来的器件失效等情况出现，且还可优化热阻，也将使得装配作业使用更加简单，热阻匹配稳定，质量和价格可控，还可以提升整个功率模块的功率密度，改善器件及整机的使用寿命。
下面结合一些具体实施例进一步阐述本申请的构思。
本实施例中，功率半导体器件包括塑封体外壳40、引线框架10、绝缘层20和逆导芯片30。
引线框架10包括基岛区11，塑封体外壳40与基岛区11围合形成芯片容置空间；绝缘层20设置于芯片容置空间内，逆导芯片30通过绝缘层20设置于基岛区11靠近塑封体外壳体40的一侧表面，逆导芯片30为集成绝缘栅双极型晶体管和续流二极管的芯片。
参阅图1，引线框架10可构造为平板状，其一侧表面形成有基岛区11。塑封体外壳40可构造为矩形壳体，其一侧开口，且该侧开口被基岛区11盖合，从而塑封外壳体40与引线框架10围合形成一芯片容置空间。该芯片容置空间填充有塑封体，塑封体包裹逆导芯片30和绝缘层20，并与基岛区11连接，以对逆导芯片30和绝缘层20进行封装。可以理解的，引线框架10一般采用金属材料制成，如由铜合金材质制成。塑封体外壳40一般采用环氧塑封材料制成。
在该芯片容置空间内，绝缘层20可通过焊料焊接固定在基岛区11。而逆导芯片30固定在该绝缘层20的背离基岛区的一侧，即通过绝缘层20设置于基岛区靠近塑封体外壳40的一侧表面。可以理解的，绝缘层20在基岛区11上的正投影覆盖逆导芯片30在基岛区11上的正投影，从而绝缘层20可以将逆导芯片30与基岛区11完全分隔。且绝缘层20的外周沿可与塑封体外壳40的内周壁间隔开或者连接，本实施例对比也并不限制。
逆导芯片30为将IGBT芯片的功能和快恢复二极管FRD芯片的功能集成在一起的单独一块芯片。
本实施例中，在塑封体外壳40与引线框架10形成的芯片容置空间内，在逆导芯片30和引线框架10之间构造一绝缘层20，从而使得绝缘层20构造于功率半导体器件内。相较于现有的在基板与功率半导体器件之间设置的外置绝缘膜结构，本实施例的内置绝缘层20结构可解决在装配过程中外置绝缘引起的绝缘膜因压力差异导致的穿孔异常，热阻匹配差异带来的器件失效。同时本实施例还优化热阻，也将使得作业使用简单，热阻匹配稳定，产品质量可控。此外，本实施例还可以提升整机的功率密度，改善器件及整机的使用寿命。
在一实施例中，绝缘层20为陶瓷敷铜层。本实施例中，采用陶瓷敷铜层作为内部绝缘材料，可以有效降低功率模块器件热阻并提高功率密度。
在一实施例中，功率半导体器件还包括：
锡膏层，锡膏层设置于逆导芯片30与绝缘层20的背离引线框架10的一侧表面之间。
即本实施例中，逆导芯片30通过锡膏焊接在陶瓷敷铜层背离基岛区11的一侧侧壁上。可以理解的，锡膏工艺在高温条件下可使得需要连接的材料产生高温合金，分子与分子间相互咬合具有较高的结合力，提升了产品抗热疲劳的能力。
在一实施例中，功率半导体器件还包括：发射极管脚72和控制极管脚71。
发射极管脚72包括相连接的第一焊接区722和第一引出区721，逆导芯片30的发射极32与第一焊接区722电性连接；控制极管脚71包括相连接的第二焊接区712和第二引出区711，逆导芯片30的控制极31与第一焊接区722电性连接。
其中，逆导芯片30、第一焊接区722和第二焊接区712均通过塑封体封装于塑封体外壳40内，第一引出区721延伸出塑封体外壳40的一侧侧壁，以形成功率半导体器件的发射极，第二引出区711延伸出塑封体外壳40的一侧侧壁，以形成功率半导体器件的控制极。
在本实施例中，第一引出区721和第二引出区711可以均外露于塑封体外壳40的同一侧侧壁，塑封体外壳40的该一侧侧壁可以仅有第一引出区721与第二引出区711伸出。当然可以理解的是，第一引出区721和第二引出区711也可以外露于塑封体外壳40的不同侧侧壁，具体的可以根据实际情况确定，本说明书实施例对此不作限定。
在一实施例中，逆导芯片30的发射极32通过铝带与第一焊接区722超声波键合连接；和/或
逆导芯片30的控制极31通过铝带与第二焊接区712超声波键合连接。
一般而言，逆导芯片30的端口通过铝线50等键合线与相应的管脚的引出区电性连接，而本实施例中，逆导芯片30的至少一个端口通过铝带与相应的管脚的引出区电性连接。相较于铝线50等键合线键合，宽度更宽的铝带61键合在键合质量上明显更优，提高了功率模块器件的抗热疲劳能力，从而进一步提高功率器件的可靠性。
此外，铝带61可与逆导芯片的发射极或者控制极采用超声波键合连接，超声波键合可以实现稳定的机械连接和电连接，是一种将具有金属化的键合表面的目标工件键合到具有金属化键合表面的基板上的摩擦焊接工艺，并且没有额外的连接材料。本实施例中，铝带61更易提供一键合表面，从而更容易在键合界面施加压力和超声功率实现扩散键合，建立铝带61和引脚之间的可靠连接。
作为本实施例的一种选择，塑封体外壳40和对应的引线框架10为H PAK器件的框架结构。
参阅图1，引线框架10构造为板状结构，板状结构的一侧表面形成为基岛区11，基岛区11上通过焊料固定有一陶瓷敷铜层，陶瓷敷铜层上通过锡膏焊接固定有一逆导芯片30。逆导芯片30的上表面上的控制极31与铝线50的一端键合连接，铝线50的另一端与控制极管脚71在塑封体外壳40内的第二焊接区712键合连接。而逆导芯片30的发射极32与铝带61的一端键合连接，铝带61的另一端与发射极管脚72在塑封体外壳40内的第一焊接区722键合连接。
在一实施例中，逆导芯片30的发射极32通过铜夹与第一焊接区722超声波键合连接；和/或
逆导芯片30的控制极31通过铜夹与第二焊接区712超声波键合连接。
具体而言，铜夹62设置于芯片容置空间内，且其一端与逆导芯片30的表面上的端口连接，另一端与管脚连接。铜夹62的两端分别与端口或者管脚通过锡膏焊接。锡膏工艺在高温条件下使需要连接的材料产生高温合金，分子与分子间相互咬合具有较高的结合力，提升了产品抗热疲劳的能力。
本实施例中，相较于铝线50键合，铜夹62连接可提高逆导芯片30器件的可靠性。
下面以铜夹62与发射极32键合连接为例进行具体说明。可以理解的，本领域技术人员易于想到铜夹62与控制极31键合连接时的结构。
作为本实施例的一种选择，塑封体外壳40和对应的引线框架10为H PAK器件的框架结构。参阅图2，引线框架10构造为板状结构，板状结构的一侧表面形成为基岛区11，基岛区11上通过焊料固定有一陶瓷敷铜层，陶瓷敷铜层上通过锡膏焊接固定有一逆导芯片30。逆导芯片30的上表面上的控制极31与铝线50的一端键合连接，铝线50的另一端与控制极管脚71在塑封体外壳40内第二焊接区712键合连接。而发射极32与铜夹62的一端键合连接，铜夹62的另一端与发射极管脚72在塑封体外壳40内的第一焊接区722键合连接。
值得一提的是，在塑封体外壳40和对应的引线框架10为H PAK器件的框架结构时，第一焊接区722和第二焊接区712均朝向引线框架10弯折形成Z字形，以使第一焊接区722和第二焊接区712靠近安装功率半导体器件的基板，以方便与基板连接。
在一实施例中，引线框架10还包括与基岛区11相连接的引脚区12，引脚区12的一侧侧边的至少部分沿朝向塑封体外壳40的方向弯折形成至少一个引脚13，且引脚13远离基岛区11的一端弯折形成L形。
具体而言，引脚区12位于基岛区11背离控制极管脚71和发射极管脚72的一侧，引脚区12的至少部分侧边沿朝向塑封体外壳40的方向弯折形成至少一个引脚13。如参阅图3和图4，在塑封体外壳40的长度方向上，引脚区12的两个相对的侧壁的部分表面分别沿朝向塑封体外壳40的方向弯折形成一个引脚13，即第一引脚和第二引脚，第一引脚与第二引脚对称设置。从而在将该功率半导体器件安装于基板上时，功率半导体器件可通过至少一个引脚13焊接在基板上，此时，塑封体外壳40位于引线框架10和基板之间，从而金属材质的引线框架10远离基板并与外界接触，可更好地将热量散发至空气中，以提高功率模块整体的散热能力。即本实施例中，功率半导体器件构造为热电分离的结构。
引脚13远离基岛区11的一端向一侧弯折形成焊接部，即形成L形结构。可以理解的，焊接部的焊接面积更大，以方便调整功率半导体器件和基板的位置，以将功率半导体器件准确焊接。同时，焊接面积更大还使得焊接部与基板的焊接更加稳定。
作为本实施例的一种选择，引脚13远离基岛区11的一端在塑封体外壳40的长度方向上向外侧弯折，可使得焊接部紧贴塑封体外壳40，减少功率半导体器件在基板上所占的空间。作为本实施例的另一种选择，引脚13的远离引脚区的一端朝向远离塑封体外壳40的方向弯折。
本实施例中，塑封体外壳40和对应的引线框架10为热电分离器件的框架结构。参阅图3，作为本实施例的一种选择，引线框架10包括基岛区11和引脚区12，基岛区11上通过焊料固定有一陶瓷敷铜层，陶瓷敷铜层上通过锡膏焊接固定有一逆导芯片30。逆导芯片30的上表面上的控制极31与铝线50的一端键合连接，铝线50的另一端与控制极管脚71在塑封体外壳40内的第二焊接区712键合连接。而发射极32与铝带61的一端键合连接，铝带61的另一端与发射极管脚72在塑封体外壳40内的第一焊接区722键合连接。
而基岛区11的背离电极的一端连接有引脚区12，引脚区12的左右两侧边的至少部分表面沿朝向塑封体外壳40的方向弯折形成至少一个引脚13。引脚13远离基岛区11的一端弯折形成焊接部，焊接部的焊接面积更大，以方便调整功率半导体器件和基板的位置，以将功率半导体器件准确焊接。同时，焊接面积更大还使得引脚11与基板的焊接更加稳定。可以理解的，焊接部可以朝向远离塑封体外壳40的方向延伸，还可两者分别向基岛区11的左右两侧延伸。此时，两个引脚11彼此对称设置。
作为本实施例的另一种选择，参阅图4，引线框架10包括基岛区11和引脚区12，基岛区11上通过焊料固定有一陶瓷敷铜层，陶瓷敷铜层上通过锡膏焊接固定有一逆导芯片30。逆导芯片30的上表面上的控制极31与铝线50的一端键合连接，铝线50的另一端与控制极管脚71在塑封体外壳40内的第二焊接区键合连接。而发射极32与铜夹62的一端键合连接，铜夹62的另一端与发射极管脚72在塑封体外壳40内的第一焊接区722键合连接。
值得一提的是，在塑封体外壳40和对应的引线框架10为热电分离器件的框架结构时，第一焊接区722和第二焊接区712均沿背离引线框架10的方向弯折形成Z字形，以使第一焊接区722和第二焊接区712靠近基板，以方便与基板连接。
第二方面，本实用新型还体提供了一种功率模块，包括上述的功率半导体器件。该功率半导体器件的具体结构参照上述实施例，由于本功率模块采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件，其特征在于，包括：
塑封体外壳；
引线框架，所述引线框架包括基岛区，所述塑封体外壳与所述基岛区围合形成芯片容置空间；
绝缘层，所述绝缘层设置于所述芯片容置空间内；
逆导芯片，所述逆导芯片通过所述绝缘层设置于所述基岛区靠近所述塑封体外壳的一侧表面，所述逆导芯片为集成绝缘栅双极型晶体管和续流二极管的芯片。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述绝缘层为陶瓷敷铜层。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述功率半导体器件还包括：
锡膏层，所述锡膏层设置于所述逆导芯片与所述绝缘层的背离所述引线框架的一侧表面之间。
4.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述功率半导体器件还包括：
发射极管脚，所述发射极管脚包括相连接的第一焊接区和第一引出区，所述逆导芯片的发射极与所述第一焊接区电性连接；
控制极管脚，所述控制极管脚包括相连接的第二焊接区和第二引出区，所述逆导芯片的控制极与所述第二焊接区电性连接；
其中，所述逆导芯片、所述第一焊接区和所述第二焊接区均封装于所述塑封体外壳内，所述第一引出区延伸出所述塑封体外壳的一侧侧壁，以形成所述功率半导体器件的发射极，所述第二引出区延伸出所述塑封体外壳的一侧侧壁，以形成所述功率半导体器件的控制极。
5.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述逆导芯片的发射极通过铝带与所述第一焊接区超声波键合连接；和/或
所述逆导芯片的控制极通过铝带与第二焊接区超声波键合连接。
6.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述逆导芯片的发射极通过铜夹与所述第一焊接区超声波键合连接；和/或
所述逆导芯片的控制极通过铜夹与第二焊接区超声波键合连接。
7.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一引出区和所述第二引出区均沿朝向所述引线框架的方向弯折形成Z字形。
8.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一引出区和所述第二引出区均沿背离所述引线框架的方向弯折形成Z字形。
9.根据权利要求1或8所述的功率半导体器件，其特征在于，所述引线框架还包括与所述基岛区相连的引脚区，所述引脚区远离所述基岛区的一侧至少部分沿朝向所述塑封体外壳的方向弯折形成至少一个引脚；
所述引脚远离所述基岛区的一端弯折形成L形。
10.一种功率模块，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的功率半导体器件。
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