CN219677253U - 一种双面散热的半导体装置及封装 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双面散热的半导体装置及封装，涉及半导体装置技术领域，包括上衬底、下衬底和支撑部；所述上衬底和所述下衬底相对布置，并由所述支撑部连接以形成半导体装置的壳体；所述壳体内布置有位于上衬底和下衬底之间的多个控制芯片；所述壳体一端设有三个功率电极，且在相对另一端设有若干信号引脚；所述功率电极与各个所述信号引脚均延伸出所述壳体，并分别与控制芯片电连接；所述上衬底和所述下衬底均包括由所述壳体内部至所述壳体外部依次设置的第一金属层、绝缘层以及第二金属层；通过所述上衬底和下衬底连接散热器以形成双面散热结构，解决现有技术中半导体装置散热效率较差，适用场景受限的问题。

Description

一种双面散热的半导体装置及封装

技术领域

本实用新型涉及半导体装置领域，尤其涉及一种双面散热的半导体装置及封装。

背景技术

半导体器件广泛应用于工业变频、变流器、汽车电机控制器等需要进行电能转换的场景。功率半导体器件通过连接材料(通常为焊接或者金属烧结)粘接在基板上。为了增强其散热性能，半导体装置上表面通常采用相同工艺连接金属垫片，进而再连接上层基板。且现有的半导体器件一般采用单面散热形式，即半导体器件的一侧表面设置有散热板，半导体器件中芯片产生的热量一般可以通过该散热板排出。但是，对于高集成度的半导体器件或者对于包含大功率芯片的半导体器件而言，由于芯片发热量较大，通过单面散热板很难将热量顺利排出，散热效率较差。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种双面散热的半导体装置及封装，解决现有技术中半导体装置散热效率较差，适用场景受限的问题。

本实用新型公开了一种双面散热的半导体装置，

包括上衬底、下衬底和支撑部；

所述上衬底和所述下衬底相对布置，并由所述支撑部连接以形成半导体装置的壳体；

所述壳体内布置有位于上衬底和下衬底之间的多个控制芯片；

所述壳体一端设有三个功率电极，且在相对另一端设有若干信号引脚；

所述功率电极与各个所述信号引脚均延伸出所述壳体，并分别与控制芯片电连接；

所述上衬底和所述下衬底均包括由所述壳体内部至所述壳体外部依次设置的第一金属层、绝缘层以及第二金属层；

通过所述上衬底和下衬底连接散热器以形成双面散热结构。

优选地，所述功率电极设置为金属片。

优选地，所述功率电极上设有用于连接外部电路的通孔；

在所述功率电极上设有镀层。

优选地，所述壳体上在所述上衬底或所述下衬底两侧分别设有至少一个用于散热器固定在所述壳体上的限位槽。

优选地，所述信号引脚在靠近所述壳体一侧包覆有塑封体。

优选地，所述壳体上在相邻所述功率电极之间设有沟槽；

和/或，所述壳体上在存在高压电势差的信号引脚之间设置沟槽。

优选地，所述壳体上在所述信号引脚所在一侧设有定位槽；

所述定位槽偏离所述壳体的中线设置。

优选地，当所述定位槽至任一所述信号引脚的距离小于预设最小的爬电距离，则所述壳体在所述定位槽与所述信号引脚间设置沟槽。

优选地，所述沟槽宽度大于1mm。

本实用新型还提供一种半导体装置封装，

包括至少三个所述的半导体装置；

各个所述半导体装置同相并列布置；

在所述半导体装置上衬底和下衬底所在侧面上配合连接双面夹持的散热器，形成双面散热的封装结构。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本申请提供的半导体装置及封装，通过上衬底、下衬底与支撑部形成包围控制芯片及内部电路的壳体，上衬底和下衬底形成壳体侧壁，且可与散热器连接，实现对半导体装置的双面散热，在壳体一端设置三个功率电极，并在其相对一侧设置信号引脚，功率电极可兼容螺栓电连接及激光焊接等主回路电连接方式；信号端子可兼容通过焊接及接插件连接的方式与控制电路连接，且相对设置便于散热器布置，还可设置多个半导体装置连接成封装，解决现有技术中半导体装置散热效率较差，适用场景受限的问题。

附图说明

图1为本实用新型所述一种双面散热的半导体装置及封装实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型所述一种双面散热的半导体装置及封装实施例一种体现下衬底的结构示意图；

图3为本实用新型所述一种双面散热的半导体装置及封装实施例一种体现通孔的结构示意图；

图4为本实用新型所述一种双面散热的半导体装置及封装实施例二的结构示意图。

附图标记：

1-上衬底；2-下衬底；3-支撑部；31-限位槽；4-功率电极；41-通孔；5-信号引脚；51-塑封体；6-沟槽；7-定位槽；8-散热器。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本实用新型的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一铜箔也可以被称为第二铜箔，类似地，第二铜箔也可以被称为第一铜箔。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

实施例一：本实用新型公开了一种双面散热的半导体装置，参阅图1-3，包括上衬底1、下衬底2和支撑部3；所述上衬底1和所述下衬底2相对布置，并由所述支撑部3连接以形成半导体装置的壳体；上衬底1和下衬底2均可设置为长方形板状，并分别形成该装置的一侧面，而后通过支撑部3连接两侧面形成长方体状的壳体，该支撑部3可以是注塑成型的塑封料，形成半导体装置内部电路结构的胶体。

具体的，为了实现半导体装置双面散热，所述上衬底1和所述下衬底2均包括由所述壳体内部至所述壳体外部依次设置的第一金属层、绝缘层以及第二金属层(图中未示出)；即，上衬底1和下衬底2的第二金属层均朝向该半导体装置的外部，通过所述上衬底1和下衬底2连接散热器8以形成双面散热结构。首先，第二金属层直接与散热器8接触，两者之间没有其他壳体或连接层，减少损耗，其次，上衬底1和下衬底2同步实现半导体装置两侧的散热，进一步提升整个半导体装置的散热效率。位于第一金属层和第二金属层之间的绝缘层实现内部电路的绝缘，具体的，绝缘层材料可以采用包括但不限于氧化铝、掺氧化锆氧化铝、氮化硅、氮化铝、树脂等。设置绝缘层可以解决已有的DC/AC端子同侧设计(电装)未设计产品的内部绝缘，必须依靠外部的绝缘陶瓷板的问题，降低成本和装配难度。

所述壳体内布置有位于上衬底1和下衬底2之间的多个控制芯片(图中未体现)，具体的，该控制芯片位于上衬底1的第一金属层和下衬底2的第一金属层之间，并基于各个控制芯片的布置形成内部电路；所述壳体一端设有三个功率电极4，且在相对另一端设有若干信号引脚5；所述功率电极4与各个所述信号引脚5均延伸出所述壳体，并分别通过上衬底1和/或下衬底2与控制芯片电连接。具体的，三个功率电极4分别为半桥电路拓扑的正极(第一电极)、半桥电路拓扑的负极(第二电极)、半桥电路拓扑的交流输出极(第三电极)。功率电极4与信号引脚5相对设置，以便于散热器8的连接以及后续多个半导体装置封装。

在本实施方式中，信号引脚5个数可根据实际控制芯片设置或实际使用场景设置，至少设置6个(即包括必需的上下桥集电极信号端、上下桥栅极信号端、上下桥发射极信号端)，如设置12个(增加用于连接温度传感器或其他传感器的信号引脚5)等。各个所述信号引脚5并列/堆叠布置，所述信号引脚5在靠近所述壳体一侧包覆有塑封体51，使得信号引脚5端部部分外露，以与其他器件连接，其他部分则可被塑封体51包覆，可增加信号引脚5的机械稳定。还作为说明的是，在该塑封体51外还设有附加镀层，该附加镀层包括镍层以及位于镍层外的金层，一方面增加防腐蚀性，另一方面避免该半导体装置应用过程中产生的微动腐蚀(即在因振动等引起的金属间的摩擦而导致电气接点劣化的现象)。

在上述实施方式中，功率电极4用于连接电容或交流电缆等器件以连接外部电路，所述功率电极4设置为金属片，作为举例的，该金属片为完整铜片，此时其表面不设置镀层，以便于通过激光焊接与其他器件连接。

作为可选的，在另一个实施方式中，除了上述激光焊接与其他器件连接的方式外，还可通过螺栓等辅助部件连接，此时，需要在该功率电极4上设置连接部，具体的，在所述功率电极4上设有用于连接外部电路的通孔41，由此，使得螺栓等辅助部件通过该通孔41并与该功率电极4连接。此时，在所述功率电极4上设有镀层，具体的，功率电极4在塑封体51(即壳体)外与外部电路的安装面设置镀镍层0.5～5μm，镀镍层上设置镀锡层3～10μm。该镀层一方面用于降低通过螺栓实现外部电路与功率电极4连接所产生的接触电阻，另一方面还可提供对功率电极4的防氧化保护。

在本实施方式中，所述壳体上在所述上衬底1或所述下衬底2两侧分别设有至少一个用于散热器8固定在所述壳体上的限位槽31，由于支撑部3与上衬底1、下衬底2形成壳体，实际该限位槽31在支撑部3上，散热器8固定在壳体上后覆盖上衬底1和下衬底2，为了减少散热器8与壳体连接处影响散热，使得两者连接处避开上衬底1和下衬底2，因此连接在壳体侧边，即非上衬底1、下衬底2、功率电极4、信号引脚5所在的平面，为了实现散热器8和壳体的稳定连接，可以在上衬底1/下衬底2对应四角处分别设置一限位槽31，各个限位槽31可对称分布，使得散热器8连接在壳体上时受力均匀，避免应用过程中散热器8脱离该半导体装置产生的安全隐患。

在本实施方式中，由于上述功率电极4、信号引脚5、控制芯片等设置，以及在使用过程中需要与散热器8连接，因此需要考虑各个连接点/导体之间的爬电距离，即两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离，因此采用设置沟槽6方式解决该问题，且作为优选地，所述沟槽6宽度大于1mm，以实现较佳的增加爬电距离的效果。具体的，所述壳体上在相邻所述功率电极4之间设有沟槽6；和/或，所述壳体上在存在高压电势差的信号引脚5之间设置沟槽6。具体的，三个功率电极4并列设置，可在第一电极与第二电极之间、第二电极与第三电极之间；各个信号引脚5也并列设置，可以将高压信号引脚5设置在壳体最外侧边，在高压信号引脚5和其他信号引脚5之间设置沟槽6。

在本实施方式中，为了便于散热器8与该半导体装置安装，或应用过程中该半导体装置与其他部件的安装，述壳体上在所述信号引脚5所在一侧设有定位槽7；所述定位槽7偏离所述壳体的中线设置，通过该定位槽7的设置可快速区分本实施方式中半导体装置的上衬底1和下衬底2，以提高安装效率，避免错误安装对应用过程造成的影响。

基于前述的，定位槽7设置在信号引脚5所在一侧，具体的，如图所述，设置12个信号引脚5，则定位槽7设置在信号引脚5中间，且略偏离壳体中线的位置，其两侧分别设置6个信号引脚5，因为定位槽7与散热器8的结构接触，所以需要也增加与信号引脚5的爬电距离，如图所述，从定位槽7槽向右到引脚的直线距离；以及从定位槽7向左壳体表面到达信号引脚5的总距离，均应大于最小基本绝缘的爬电距离。因此，当所述定位槽7至任一所述信号引脚5的距离小于(预设)最小基本绝缘的爬电距离，则所述壳体在所述定位槽7与所述信号引脚5间设置沟槽6，具体是否设置以及设置位置、设置的沟槽6尺寸均根据相邻导件的爬电距离确定，如500V直流电源系统需要设置的爬电距离为2.5mm等。

在本实施方式提供的半导体装置中，通过上衬底1、下衬底2与支撑部3形成包围控制芯片及内部电路的壳体，上衬底1和下衬底2形成壳体侧壁，且可与散热器8连接，实现对半导体装置的双面散热，上衬底1和下衬底2与散热器8接触一侧设置第二金属层，减少热量损耗，同时双面同步散热进一步提高散热效率。为了增加半导体装置与散热器8的连接稳定性，在壳体侧边设置限位槽31，且该限位槽31设置避开上衬底1与下衬底2的位置，以减少对散热效果的影响。在壳体一端设置三个功率电极4，并在其相对一侧设置信号引脚5，功率电极4可兼容螺栓电连接及激光焊接等主回路电连接方式；信号端子可兼容通过焊接及接插件连接的方式与控制电路连接，并在信号引脚5一侧设置定位槽7，便于与散热器8的连接及后续应用场景下的装配。同时还考虑在电机之间、信号引脚5之间设置沟槽6，以增加相邻导体之间的爬电距离，确保使用过程的安全性。

实施例二：本实施例还提供一种半导体装置封装，如图4所示，包括至少三个如实施例一所述的半导体装置；各个所述半导体装置同相并列布置；在所述半导体装置上衬底1和下衬底2所在侧面上配合连接双面夹持的散热器8，形成双面散热的封装结构。作为说明的是，上述各个半导体装置同相，该同相指的是功率电极4同侧、信号引脚5同侧，且上衬底1、下衬底2分布同侧，可配合双面夹持散热器8，实现该封装的双面散热，由该封装组成的功率组件可以兼容硅基功率芯片、碳化硅功率芯片，可组成单个三相(u相、V相、W相)全桥逆变器、双三相全桥逆变器、Boost电路等电力电子电路，可应用于控制模块、车辆装配中。

应当注意的是，本实用新型的实施例有较佳的实施性，且并非对本实用新型作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种双面散热的半导体装置，其特征在于：

包括上衬底、下衬底和支撑部；

所述上衬底和所述下衬底相对布置，并由所述支撑部连接以形成半导体装置的壳体；

所述壳体内布置有位于上衬底和下衬底之间的多个控制芯片；

所述壳体一端设有三个功率电极，且在相对另一端设有若干信号引脚；

所述功率电极与各个所述信号引脚均延伸出所述壳体，并分别与控制芯片电连接；

所述上衬底和所述下衬底均包括由所述壳体内部至所述壳体外部依次设置的第一金属层、绝缘层以及第二金属层；

通过所述上衬底和下衬底连接散热器以形成双面散热结构。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述功率电极设置为金属片。

3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述功率电极上设有用于连接外部电路的通孔；

在所述功率电极上设有镀层。

4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述壳体上在所述上衬底或所述下衬底两侧分别设有至少一个用于散热器固定在所述壳体上的限位槽。

5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述信号引脚在靠近所述壳体一侧包覆有塑封体。

6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述壳体上在相邻所述功率电极之间设有沟槽；

和/或，所述壳体上在存在高压电势差的信号引脚之间设置沟槽。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述壳体上在所述信号引脚所在一侧设有定位槽；

所述定位槽偏离所述壳体的中线设置。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于：

当所述定位槽至任一所述信号引脚的距离小于预设最小爬电距离，则所述壳体在所述定位槽与所述信号引脚间设置沟槽。

9.根据权利要求6或8任一项所述的半导体装置，其特征在于：

所述沟槽宽度大于1mm。

10.一种半导体装置封装，其特征在于：

包括至少三个上述权利要求1-9中任一项所述的半导体装置；

各个所述半导体装置同相并列布置；

在所述半导体装置上衬底和下衬底所在侧面上配合连接双面夹持的散热器，形成双面散热的封装结构。