專(zhuān)利名稱(chēng)：具有雙邊的單器件冷卻和浸浴冷卻的無(wú)線(xiàn)連接功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功對(duì)對(duì)央并更具體地涉及可/A^面冷卻的多個(gè)半導(dǎo)體 器件封裝的新型組件和它們組裝到功,換電路中。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)用于一種用于半導(dǎo)體管芯的多個(gè)組件的新型結(jié)構(gòu)和工藝，該多個(gè) 組件具有與一個(gè)或多個(gè)夾在兩個(gè)直接結(jié)合銅(DBC)晶片間的半導(dǎo)體管芯的 相對(duì)表面良好的熱傳遞和與管芯電極電絕緣的平行相對(duì)的金屬表面。提出的共同未決申請(qǐng)序列No.11/751,936，提交的申請(qǐng)(IR-3253)示出了可由^h面 有利地,勺單一麗封裝。將期望裝配多個(gè)這種封裝以形成小體積并且能〗頓在不禾啲熱和機(jī)械環(huán) 境例如用于機(jī)動(dòng)應(yīng)用中的完全功率轉(zhuǎn)換器電路。因而，許多電路期望用于這 種應(yīng)用，例如，與IGBT或其它MOS柵控器件麟封裝(co-pack)并聯(lián)連 接的高電壓、高電流半橋或全橋。經(jīng)常需要單相和多相電路。進(jìn)一步期望能 夠裝配這種電路并為了風(fēng)冷或液冷容納它們，其使得;itA器件終端更容易。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)該發(fā)明，具有^A或夾住隔離半導(dǎo)體管芯的多個(gè)平的雙面冷卻封裝 平行排列地堆疊，該半導(dǎo)體管芯具有從它的至少一個(gè)邊緣延伸的端子，而它 們的端子從單一垂直平面延伸。共用的支撐結(jié)構(gòu)例如7賴(lài)卩容器體蓋件，容納 該封裝的終端，其殼體可懸掛在冷卻室中。在蓋件頂部a引線(xiàn)框架端子將 類(lèi)似端子連接在一起并且限定^1 形成的期望的電路。在該申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，梳狀導(dǎo)電組件夾片并排和/或平行排列的安裝 獨(dú)立的封裝并且平的梳拔'齒"或指與之具有良好熱傳遞的壓靠著各i^寸裝表 面。于是，梳狀?yuàn)A片臥到流體(空氣或液體)^4P室中，而各封裝的端子 從室的頂部突出來(lái)。導(dǎo)電弓踐框架帶在端子的頂部表面a延伸以將共用的 端子連接在一起到電路節(jié)點(diǎn)。作為選擇，堆疊散熱片支架可容納封裝的選擇性組并且能用魏的緊固 件堆疊在一起。這樣制造該組件是容易實(shí)現(xiàn)的并且是能安^^機(jī)動(dòng)或其它應(yīng)用中的馬達(dá) 室等中的可靠的高電流、高電壓電路。


圖1是如在申i青序列No.ll/641，270 (IR-3174)中公開(kāi)的使用單一 DBC 晶片的封裝的頂部視圖。圖2是圖1中截面線(xiàn)2-2橫向截取的圖1的截面圖。圖3是圖1和2的分解透視圖并且示出了對(duì)于封裝的半導(dǎo)體管芯的可替 換的方向。圖4和4A ，于封裝的可替換的結(jié)構(gòu)的頂部視圖。圖5是其中管芯反轉(zhuǎn)的圖1、 2和3的封裝的進(jìn)一步可替換的頂部視圖。 圖6是圖5實(shí)施例的分解透視圖。圖7是其中在DBC基底中形成電阻分路通孔的圖1至圖6的器件的另一 實(shí)施例的頂部視圖。圖8是髓圖7中截面線(xiàn)8-8橫向截取的圖7的截面圖，并腿一步示 出在DBC晶片的上部銅層中的凹部中的MOSFET管芯。圖9是類(lèi)似于圖2的封裝的截面圖，但皿一步包含焊料停止凹座以在 焊料回流期間定位管芯。圖10是圖9的頂部^l圖。圖11是在DBC晶片中具有多個(gè)電阻分路通孔的圖9的封裝的分解透視圖。圖12示出了 DBC卡，其中圖1至10的封裝可在晶片級(jí)別處理并且可被 ^!^i也或^^擇的組中單一化。圖B是兩個(gè)DBC晶片的頂部視圖，當(dāng)芯片夾在一起時(shí)， 一個(gè)晶片載有 半導(dǎo)體管芯而另一個(gè)晶片用于管芯的連接圖形。圖14是晶片夾疊和連接后的圖13的晶片的頂部視圖。圖15是^圖14中截面線(xiàn)15-15橫向截取的圖14的截面圖。圖16是圖13、 14以及15的封裝的透視圖。圖17是連接到圖16的封裝的U型散熱片的透視圖。圖18是用于圖16的封裝的可替換的夾片排列的透視圖。圖19是安皿液冷室中的圖16的封^t視圖。圖20示出了在導(dǎo)電夾梳中的圖16中所示類(lèi)型的4封裝的組件的分解透視圖，而漏極、源極以及柵極接點(diǎn)引線(xiàn)框架用于連接^(guān)hi寸裝的相關(guān)端子。圖21示出了與圖20類(lèi)似的組件，其中在支^^的^夾槽中湘隙置 兩賴(lài)裝。圖22示出了例如圖21的在梳中的湘,寸裝的可替皿置，其中封裝的 端子從梳的側(cè)面延伸。圖23示出了用于容納圖18中所示類(lèi)型的封裝的梳狀導(dǎo)電支架。 圖24示出了在*分支中具有4并聯(lián)開(kāi)關(guān)管芯的斜目半橋的電路圖。 圖25是具有連接以形成圖24的電路的導(dǎo)線(xiàn)的圖21的示意性前視圖。 圖26是具有弓l線(xiàn)框架以確定圖24和25的結(jié)構(gòu)的圖22的組件的透視圖。圖27是用于發(fā)明第二實(shí)施例的子組件的透視圖。 圖28以分解透視圖示出了發(fā)明的另一實(shí)施例，其中多^i寸^/人共用的蓋 件懸掛并且臥到液冷浸浴中以及具有用于暴露端子的弓踐框架連接器。 圖29示出了具有多排封裝的圖30的實(shí)施例。圖30示出了具有引線(xiàn)框架(為了清晰分解圖示)以形成圖24、 25和26的電路和配置的圖29的組件。圖31示出了具有單一多層引線(xiàn)框架的圖30的結(jié)構(gòu)。圖32是能夠容納多個(gè)扁平封裝的液#^浴的透視圖。圖33皿一步安，于容納多個(gè)平的封裝的支撐板配置的透視圖。圖34示出了圖33的類(lèi)型的單一板，其中多個(gè)這種板可如需要的連接在一起。
具體實(shí)施方式
圖l、 2和3示出了共同未決專(zhuān)利序列No.11/641,270 (IR-3174)的半導(dǎo) |{牛30的第一實(shí)施例。半導(dǎo)，件30包括半導(dǎo)體管芯31和殼體32。半導(dǎo)體管芯31可為在一，面上具有容納焊料塊33的源電極、容納焊 料塊34的柵電極以及在其相對(duì)表面上具有容納悍料壓片35的漏電極的i^基 垂直導(dǎo)通功率MOSFET。可JOT可焊接金屬劍戈替焊料塊并可〗OT焊料膠代 替焊料壓片。盡管管芯31示出為硅管芯，其可為樹(shù)可類(lèi)型的半導(dǎo)^t才料，包 gE化鎵、碳化硅等。進(jìn)一步，盡管管芯31描述為功率MOSFET，但其可 為扭可類(lèi)型的半導(dǎo)皿件，包括雙極晶體管管芯、IGBT管芯、導(dǎo)通器件管芯、 二極管管芯等。IGBT和二極管的共封裝能彼此橫向隔開(kāi)并且具有其頂部和底 部電子互連。術(shù)語(yǔ)MOS柵控器件意圖在于，樹(shù)可類(lèi)型的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件， 在它的至少一 面上具有功率電極和柵極以用于在開(kāi)和關(guān)狀態(tài)間切換該器 件。術(shù)語(yǔ)源電極或源極接點(diǎn)意圖在于iH己MOSFET的源極或者IGBT的皿 極。同樣地，術(shù)語(yǔ)漏電極或接觸以及集電極電極或接觸意圖在于會(huì)^I多互相交 衡頓。殼體32可為由在絕緣層41的底部表面上結(jié)合到絕緣層41的底部導(dǎo)電層 40以及在絕緣層的頂部結(jié)合到絕緣層的頂部導(dǎo)電層43纟M的晶片。這種類(lèi) 型的結(jié)構(gòu)稱(chēng)作"DBC"。圖案化頂部導(dǎo)電層43以具有在其中嫩蜮另啲方鄉(xiāng) 成的凹部50并且具有至少部分通過(guò)凸緣52包圍的平的底部表面51 。凹部51和凸緣52的表面可例如鍍鎳以?xún)?yōu)化焊料的濕潤(rùn)以及以鈍化容器fflih氧化和 以fflil改變焊料和銅以及硅或?qū)⒁附拥奖砻?1的其它管芯材料間的金屬 間(intermetallic)增加可靠性。用于層40和43的導(dǎo)電材料可為任何高導(dǎo)電率材料，例如并且,銅， 當(dāng)然可以使用其它材料。中心層41可為樹(shù)可良好電絕緣以使層40和43彼此 絕緣并且能為一種陶瓷， A1203。進(jìn)一步示例，也可j頓細(xì)或SiN。層 40和43可為l封可期望的厚度，典型為300Mm，但可具有ftf可其它期望的厚 度，典型在300到600pm之間。這種DBC材料商4kJ:可^t尋到并且通常用 于半導(dǎo)#^件模±央中，此處銅層40和43將為電絕緣的，但是在熱傳遞中在 一層中產(chǎn)生的這樣的熱量會(huì),M:絕緣阻擋層41流到其它導(dǎo)電層。凹部51具有足夠容納焊料層35和管芯31的深度，焊料層35典型可少 于大約lOOpm,而管芯31典型可減薄到少于大約100Mm。在圖1的示例中， 管芯為70阿厚并且焊料35為大約100,厚，在表面51和絕緣層41的頂部 表面間留下130mhi厚的銅薄片。管芯31適當(dāng)?shù)睾附拥桨疾?0的表面50，而管芯31的頂部表面至少貨 當(dāng)?shù)嘏c凸緣52的頂部共面。焊料決33和34突出在這個(gè)平面ti:以使封裝能 反轉(zhuǎn)并且接觸塊焊料將鄉(xiāng)飾倒電路fch而不需要導(dǎo)線(xiàn)連接?？蛇x搟也，可焊 接墊能代皆焊接i央用于隨后的焊料附著。在其操作期間，在管芯31上產(chǎn)生的 熱iffil陶瓷41傳導(dǎo)到銅層40，銅層40能由封裝散熱并且尤其能熱連接到將 與漏極35和導(dǎo)電層40電絕緣的散熱片。盡管示出在管芯31的外周和凸緣52的內(nèi)表面間相對(duì)大的空隙，這個(gè)空 隙能減小到與制造簡(jiǎn)易和方便一致的最小尺寸。進(jìn)一步，保留的空隙將用絕 麟填充。圖3示意性地示出對(duì)于管芯31的在健3A和3B的方向的兩個(gè)其它示例。在圖1、 2和3中銅層43的凸緣52示出為馬蹄或U型，還別頓其它 配置。例如，在圖4中，此處與圖l、 2和3的相似的元件具有相同的f新己數(shù) 字，在層43中的凹部51完全由凸緣50包圍。圖4A示出了另一個(gè)實(shí)施例， 其中去除或打開(kāi)凸緣43的兩個(gè)末端以分別簡(jiǎn)化到柵極和源極接點(diǎn)34和33的 撤蟲(chóng)。進(jìn)一步，在圖4A的實(shí)施例中，在成型和》鵬i真艦程中，不太可能 發(fā)生空氣摻雜。圖5和6示出另一實(shí)施例，如下文中所有附圖盼瞎況，其中相同的數(shù)字fei只相似的元件。圖5和6示出圖1至4中的管芯31翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)以至于源極或 柵板決(或IGBT等的等同塊)面向凹平表面51。因而，在圖5和6中，圖 1至4的上部銅層43分成具有各自的凸緣片斷52a和52b以及平面凹底部分 51a和51b的片斷43a和43b。短突出部65從凹體51b延伸。于是該倒裝管 芯31可用焊接到表面5 la的源極塊33以及焊接到表面5 lb的柵極塊34焊接 并5ilil在頂部導(dǎo)電層43a43b中的空隙66免受源極i央33的侵害。圖7和8示出進(jìn)一步的實(shí)施例，其中在封裝70 (圖8)中形成至少一個(gè) P鵬電流分路。因此，圖7中的絕緣層41具有在銅層40和43連接到該處前 鉆孔或其它方，成的通孔71 。也可在層40和43結(jié)合到絕緣層41之后形 成通孔71。然后適合的導(dǎo)電性材料72 (圖8) ±真充開(kāi)口71以連接層40和43 并且形成分路電阻器。需要的分路阻抗取決于應(yīng)用并且盡管能制造倒可阻值但可以在大于大約 期望的0.1毫 (mohm)時(shí)依尺寸制造。分路KfC值將是在可接受的分路 內(nèi)的功率損失和穿過(guò)分路電阻器72的電壓降73間的折中。注意到分路72集 成到封裝70的熱ffl^各中并將M;散熱片和其它用于管芯31的熱管理7令卻自 動(dòng)辦口。分路72的阻抗將取決于通孔71的幾何開(kāi)^1^和長(zhǎng)度以及分路材料72的電 阻率。孔71以圓形的截面示出，但其也可具有{封可其它皿。它的長(zhǎng)度將為 絕緣層的厚度，其中，當(dāng)陶瓷例如Al2CM寸，厚度將從300nm到600Mm。用于分路72的材料可為任何期望的導(dǎo)體，例如，銅鵬料，或者可為具 有相對(duì)較低的KfC熱系數(shù)的材料例如錳銅。也可{頓同等地或均勻地分布在 絕緣層21的表面之上的多個(gè)并i^路，M:打點(diǎn)的圓周72a、 72b、 72c在圖 7中示出，其將在對(duì)應(yīng)的管芯電極下?？嵐┹^低感應(yīng)系數(shù)、較高分路電流 以及更均一的分路電流分布的優(yōu)勢(shì)。其次參照?qǐng)D9、 lO和ll，示出焊料Sih結(jié)構(gòu)，雜管芯貼附過(guò)程中在器 件或圖8的封裝70的表面51上可靠地固定管芯31并且防止管芯&^彖接觸框 架52。因而，多個(gè)凹部或凹痕80圍繞管芯31的期謝M形成以在管芯貼附 回流步驟中自對(duì)準(zhǔn)管芯。淺凹80 具有向下到達(dá)陶瓷41的圓形底部糊犬。也可以在框架52內(nèi)4頓絕緣漆或其它焊料Plih?？蒵頓"平整焊料"的工 序，4頓如所示的予賊型35而不是也可1頓的具有流出物的焊料貼。當(dāng){頓焊料預(yù)成型35時(shí)，焊料工藝能在形成的氣體氣氛中完成以避免焊接步驟期間 在DBC容器內(nèi)的管芯的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)。然而，淺凹80將作為焊料ISih并且也提 供用于在容器內(nèi)的在Mit循環(huán)期間的銅和陶瓷間的結(jié)合力的應(yīng)力釋放。為了最小4^寸m本，圖8的単4蟲(chóng)的封-裝70 (或圖1的30)能在DBC 卡上同時(shí)形成并且然后從卡上^4蟲(chóng)化。這樣，DBC卡90在圖12中示出。這 種卡以尺寸例如5"x7"或4"x6"制造并且包括具有頂部和底部銅層的連續(xù)中間 陶瓷層41 o這些層可同時(shí)掩模和刻蝕以確定具有如在前述附圖中的在頂部層 中的凹部52的單獨(dú)的封裝70 (或30)并且具有其它特征例如分路72和淺凹 80 (圖9和10)。圖割^寸裝以^i寸裝間的列95后各種管芯31會(huì)巨裝載到封 割立置中。注意到在管芯31裝配并且焊接到位前可測(cè)試分路，并且^^寸裝單 獨(dú)化前能測(cè)試每個(gè)封裝。進(jìn)一步，裝載到封裝中的管芯可為不同管芯例如 MOSFET、 IGBT、 二極管等器件的組合。非常期望在任何硅或其它管芯安裝至恪自的封裝內(nèi)之前測(cè)試分路72以 減小產(chǎn)量損失。在晶片級(jí)檢測(cè)完鵬，DBC容器能在列95 M31鋸、切割或 物理斷開(kāi)^4蟲(chóng)化。注意到封裝能以?xún)蓚€(gè)或多個(gè)封裝的組斜蟲(chóng)化。兩4^寸裝組在圖12的右手 一半上示出。也注意到在卡12上^擇封割立置中和在一組封裝的選擇的倒可(ones) 中可省略通孔?？?0上的封裝的形成具有與封^i^到客戶(hù)有關(guān)的利益。因而，卡能完 整的運(yùn)給消費(fèi)者并且在用戶(hù)的場(chǎng)所由用戶(hù)單獨(dú)化。卡能M用于運(yùn)輸?shù)腲t 的薄金屬片保護(hù)并且能為了封裝由終端用戶(hù)容易斷開(kāi)或?qū)οx(chóng)化預(yù)劃線(xiàn)。另一電散熱片或板131可iffil焊料或?qū)щ婐ず夏z附著到器件30的導(dǎo)電片 斷以樹(shù)共用于器件30的另外的雙面冷卻。導(dǎo)電板131 iffi^色緣層31與器件 30電絕緣。提供第二 DBC或其它晶片/基底以與共同未決申請(qǐng)序列No.11/641，270 (IR-3174)的圖1至12的第一DBC晶片的頂部表面上的暴露電t腿行纖。 ^ffl兩個(gè)這樣的DBC晶片是共同未決申請(qǐng)序列No. 60〃47，952(IR-3253 Prov)的主題。因而，圖13示出與圖1至12尤其是圖4a中的相似第一DBC晶片200， 其中MOSFET (或IGBT)管芯具有源極接點(diǎn)33 (較圖4a中的形狀不同)和柵極接點(diǎn)34。管芯31焊接至依銅層43中的凹部51的表面50并且如戶(hù);f^與 凸緣部分52a和52b間隔。圖13和15還示出用于DBC晶片和組件200的第 二導(dǎo)電銅層40和絕緣襯底41 。^f共第二 DBC晶片組件230 (圖13、 14、 15和16)以^f共到晶片200 的源極33、柵極34和漏極接點(diǎn)35的f魏4^接以及掛共第二可7賴(lài)口表面到組 件。因而，第二DBC晶片230由諸如晶片200的體構(gòu)成，并且包括具有底部 銅層232 (圖15)和圖案化以具有源極圖形240、柵極圖形241以及漏極(凸 緣)圖形(trace) 242的圖案化頂部銅層的中心陶瓷體231。在圖13和14中 可在其左手側(cè)延伸漏極凸緣242，如果需要，能在那個(gè)錢(qián)連接^(guān)^蟲(chóng)的漏極 接點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)。向下刻t^f有的圖形至陶瓷層231的表面以使圖形間^lt激緣。 排列圖形以使晶片200旨W人圖13的^a旋撤來(lái)并且如圖14、 15中戶(hù)標(biāo)在 晶片230頂上以用分別接觸源極金屬33、柵極金屬34和凸緣52a、 52b的圖 形240、 241和242夾住管芯31 。導(dǎo)電引線(xiàn)250、 251、 252的導(dǎo)電弓踐框架可分別焊接到圖形241、 240、 242并且延伸超出疊層的外圍以充當(dāng)用于器件的端子。圖形241 、240和242可fflil焊料或?qū)щ姌?shù)月誇連接到電極34、33和52a、 52b，并且可同步地保證與弓踐框架250、 251、 252粘附到圖形241、 240和 242。為在雜中共封裝管芯，能根據(jù)需要添加附力啲管芯和相應(yīng)的引線(xiàn)框架上山順子。然后管芯31的裝配疊層、晶片200和晶片230肯調(diào)任何統(tǒng)的公知塑料 絕緣澆^t/質(zhì)260 (圖15和16)過(guò)度鑄模，保留如圖15和16中所示的暴露 的銅導(dǎo)體40和232的外部表面。iiii空氣或液體冷卻劑，完成的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在能由管芯31的兩個(gè)邊和 航的 銅導(dǎo)體40和232 (圖14、 15和16)冷卻。因而，在圖13至16的新型組件中，底部DBC晶片230在DBC晶片200 之內(nèi)提供用于管芯31的接觸墊。管芯31可為任何MOS柵控器件或二極管 等，并且也可在DBC晶片200中容納多僧芯并且fflil在較低DBC晶片230 中的魏的導(dǎo)電圖形接觸。因而，樹(shù)可兩個(gè)或多個(gè)管芯的共封裝，例如，能 在單一的夾層中容納高側(cè)刺氐側(cè)開(kāi)關(guān)。在焊接過(guò)程中，可掛共適合的方法以對(duì)準(zhǔn)DBC晶片的頂部和底部，例如前述的淺凹結(jié)構(gòu)、焊料抵擋、調(diào)整元件等。進(jìn)一步，可掛共方法以確保阻止 電弧改電或電壓擊穿并且以增加端子間漏電或間隔，例如絕緣層、焊料停止 抗測(cè)莫、聚 胺箔等。也可4頓選擬觸以增加DBC"容器"、半導(dǎo)體管芯和底部DBC之間的臨界距離。也可iOT未充滿(mǎn)環(huán)氧樹(shù)脂。注意到圖15和16的疊層非常平并且具有1至1.5mm典型厚度的DBC 晶片，夾層厚度將從2至3mm。 DBC晶片夾層可具有長(zhǎng)度和寬度，例如，10 至15mm，取決于在夾層中的管芯的數(shù)量。^吏用多個(gè)管芯的地方添加引線(xiàn)框 架端子，例如如圖16中所示端子270、 271和280能添加到組件中去，并且 從相對(duì)于端子250、 251、 252的夾層職延伸。對(duì)于特殊應(yīng)用，能在糊犬、 厚度、材料、電鍍等上定制各種引線(xiàn)框架。以能完成麗7賴(lài)卩的方式安裝圖15和16的組件現(xiàn)在變?yōu)榭赡?。因而?兩個(gè)分離金屬散熱板能如通過(guò)粘合離接等安裝至贓圖15和16中的銅層40 和232。圖17示出了U形金屬夾片300，其能被機(jī)械地越過(guò)圖15、 16中的銅層 40和232的表面并且與這些表面擠壓接觸。焊料、熱傳導(dǎo)膠或熱脂也能^OT 以確保由DBC夾層的雙邊好的冷卻。假如兩組引線(xiàn)250、 251、 252和270、 271、 272從殼體的相對(duì)面延伸， 夾片300可^J定轉(zhuǎn)到圖18中示出的位置。由于端子250、 251和252與銅板40和232隔離，特別可能利用圖17的 組件以暴露可y轉(zhuǎn)(l表面給冷卻液。因而如圖19中所示，在鄰近端子250、251、 252的其^^表面處能固定組件300到密封7轉(zhuǎn)卩齊瞎器311的頂部的安^fe 310上。冷卻劑能根據(jù)需要在室311的里面或者深入其中和砂卜面循環(huán)。再參考圖20，示出本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖16的多個(gè)平的雙面7轉(zhuǎn)瞎寸 裝400將以給定的電路組裝并且用于2-面^4卩。^M中，如在前面的描述 中，相同的參考數(shù)字用來(lái)確定相似部分^i件。進(jìn)一步，由雙面和一個(gè)或多 個(gè)半導(dǎo)體管芯的夾層可冷卻的薄封裝400 ,圖1至19中所示的使用2個(gè) DBC晶片的類(lèi)型，但在^^S述的組件中，只要^的半導(dǎo){ #^配在獨(dú) ^^寸裝的兩個(gè)外表面間并且與兩個(gè)外表面電絕緣但有良好的熱傳遞，封裝能 采取其它形式。用薄裝意B據(jù)tt^但不是必要地，具有兩個(gè)或多個(gè)端子連接到內(nèi)部半 導(dǎo)體管芯并^ii人塑料封裝殼體的一個(gè)彩瑞延伸的厚度小于5mm或更多的矩形封裝。隔離的熱傳導(dǎo)板(例如銅)在封裝的相對(duì)的器fHi上。在圖20至37中，與蟲(chóng)的封裝是用數(shù)字400標(biāo)并且包含具有各自延伸 的柵極、源極和漏極接點(diǎn)401、 402、 403的功率MOSFET。然而，可使用多 個(gè)管芯和附加的各自引線(xiàn)并且管芯可為ftf可MOS柵控功率管芯例如具有單 向離合二極管、雙極型晶體管、JEFT、 MOSFET、 二極管等的IGBT。參考圖20，在梳M屬夾片410的平的齒或指之間安裝4封裝400，封 裝400的柵極、源極、漏極端子401 、 402和403分別突出超出夾片指的末端。 夾片齒的區(qū)域與DBC晶片(例如，圖15的板40和232)的外部銅板是同延 的。梳狀?yuàn)A片410可為內(nèi)表面焊接、粘合和/TO靠^^寸裝的暴露銅表面的 銅，^f頓熱脂或熱傳導(dǎo)粘合劑以獲得M^有封裝400的良好的熱連接。掛共 彼il^色緣的導(dǎo)電引線(xiàn)框架415、 416和417以分別互相電連接所有的柵極、源 極和漏極端子401、 402和403。額外的銅散熱片420等可連接到夾片410的一個(gè)或兩個(gè)面。圖21示出具有允許兩1^寸裝400裝配在所示的旨臨近的一對(duì)梳指之間 的縫中的細(xì)長(zhǎng)指的可選的導(dǎo)電夾片430。將延伸與指25、 26、 27連接引線(xiàn)框 架用做制造到封裝400的端子的魏的連接。圖22示出圖21的變形，其中封裝400旋轉(zhuǎn)90。以使其終端從夾片430 的側(cè)面延伸。髓夾片430的齡邊延伸的弓踐框架(未示出)將制造到每 ^!寸裝端子的需要的連接。圖23 g出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中圖22的封裝400為至少兩個(gè) MOSFET的共封裝，例如，如同圖17，管芯端子,AM裝的相對(duì)端延伸。在梳 狀散熱片440附旨之間安裝多個(gè)這種堆疊器件并且與銅表面例如圖23中的封 裝400的表面441良^ ^接觸。此外，在夾片440的相對(duì)側(cè)的引線(xiàn)框架(未 示出)將根據(jù)應(yīng)用需要連接封裝400的端子。圖24為4頓具有各自并聯(lián)至依開(kāi)^^l則上的單向離合二極管的4個(gè) IGBT管芯(4封裝400)的共封裝的半橋功^f莫塊的電路圖?？蓲焐鋵?duì)可其 它期望的應(yīng)用電路。進(jìn)一步，如果要求分別具有源極和漏極端子而不是鄉(xiāng) 極和集電極電極，IGBT能被功率MOSFET代替。進(jìn)一步注意到，盡管并列 示出4封裝400，育^細(xì)樹(shù)可需要數(shù)目的并S^寸裝或管芯。在圖24中，橋的高端部i]^括4 IGBT共封裝450、 451、 452和453;并且低端部^括4IGBT共封裝455、 456、 457和458。旨管芯450到458 包含在各自的麗7軸卩封裝中。在電路適合由自動(dòng)電池驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的地方，例 如，電池(+)端460和(-)端461分別如所^ii接，并且開(kāi)關(guān)對(duì)450、 455， 451、 456， 453、 457， 454、 458之間的節(jié)點(diǎn)連接到馬達(dá)相(motorphase) 464。 適當(dāng)?shù)臇趴仉娐贩謩e連接到高端和低端柵極端子462和463。M誠(chéng)的弓踐框架連接到器件彩瑞，在具有圖21、 22和23的安排的 本發(fā)明的組件中易于實(shí)現(xiàn)圖24中的電路。圖25和26示出用于圖21的組件的新型低電感多層弓踐框架排列以產(chǎn)生 圖24的電路(具有MOSFET)。因而，示出具有容納所有高端漏極端子403 和所有低端源極端子402的馬達(dá)相引線(xiàn)框架470的組件；容納源t及端子402 的所有源極端子的高端(左)的電池(+ )引線(xiàn)框架471，容納所有的低端 漏極端子403的電池(一)引線(xiàn)框架472，容納所有高端柵極端子401的高 端柵極引線(xiàn)框架473和容納所有的低端柵極端子401的低端柵極弓l線(xiàn)框架 473?？扇鐖D25和26所示的對(duì)應(yīng)于絕緣載體片480支撐弓踐框架470、 471 、 472、 473以及474以彼此絕緣。可添加可選擇的絕緣層483以確保引線(xiàn)框架 絕緣。如通過(guò)焊接、固化、壓力裝配或fflii調(diào)整(fit-through)容納，器件端 子可連接到其各自的弓l線(xiàn)框架。弓踐框架層也可根據(jù)需要相對(duì)于絕緣層480 的表面改變。也可j頓封裝400的絕緣殼體作為絕緣和控制元件以除去對(duì)圖 25的可選#^色緣層481的需要。注意到多層弓踐框架可為能在單一步驟中連接到所有接觸的子組件。根 據(jù)需要倉(cāng)隨型不同的端子。進(jìn)一步，會(huì)挪成任何期望的頓各，例如H,， 其中引線(xiàn)框架進(jìn)行M的接觸到4封裝400的端子。進(jìn)一步，能在散熱片的 側(cè)面或底部上安裝柵極驅(qū)動(dòng)電路(柵極驅(qū)動(dòng)板)傳感器、保護(hù)電路總線(xiàn)電容 等。圖20至23的散熱片或梳410、 430和440可具有不同于示出那些的形狀 并且可具有初級(jí)和次級(jí) W元件。例如，梳可具有用于更有效的風(fēng)冷或液冷 的7轉(zhuǎn)口翅片并且可以具有內(nèi)部鵬以傳導(dǎo)液術(shù)賴(lài)口劑。這種有源或無(wú)源7轉(zhuǎn)卩 元件最好安裝在梳狀或夾片的底部或側(cè)1!±0進(jìn)一步，散熱片410、 430和440可為單管芯鑄造元件或可由如iffil螺旋 型緊固件翻過(guò)固化、焊接或其它粘合劑連接在一起的?！来唐咚破瑺钤纬?。圖27示出齡容納兩個(gè)并排的封裝400的?！来唐邆鲗?dǎo)散熱片元件500。這種模塊的任何期Mm目的能堆疊在一起并且?jiàn)A緊或M螺釘或螺栓穿過(guò)螺孔501以擠壓散熱片表面到具有表面的熱接觸中的其它方式，例如封裝400 的銅板441。會(huì)^頓熱傳導(dǎo)粘合劑或熱脂以獲得封裝400的最有效的雙面冷 卻。圖28示出發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，其中封裝400的頂部固定到在適合覆 蓋示意性圖解的包含液體熱交換流體的液體冷卻容器601的封片和密封板 600中的開(kāi)口。可以粘接或擠壓器件到板600中并且將它們的7轉(zhuǎn)口表面mA 至W轉(zhuǎn)卩劑中。引線(xiàn)框架610、 611和612將容納和互連7轉(zhuǎn)卩劑容器601的外部 端子401、 402和403。注意到可^f^ti卩劑入口和出口 (未示出)以循環(huán)冷 卻劑。圖29示出圖28的進(jìn)一步的實(shí)施例，其中蓋片600容納另一排封裝400。 盡管沒(méi)示出7賴(lài)卿容器或浸浴601的側(cè)壁，但是它們可常規(guī)^頓于其它電子 元件例如驅(qū)動(dòng)板、電容等的i^接和7轉(zhuǎn)卩。圖30示出圖26的弓踐框架排列，如應(yīng)用到圖29的結(jié)構(gòu)。未示出冷卻劑 601 。在圖30的排列中，不同的弓踐框架470至474以及絕緣片480在^^蟲(chóng) 的工藝步驟中連接并且然后互相連接。如圖31中戶(hù)標(biāo)，可4頓多層引線(xiàn)框架650作為子組件，其中所有的弓踐 框架預(yù)附著到在單一步驟中連接到功率開(kāi)關(guān)的絕緣片480上。其次參考圖32，示出有浸浴散熱片700，其具有包含用于容納封裝400 的體至相^^寸裝深度的殼698之內(nèi)的深度的容納開(kāi)口 701至708的多個(gè)平面 封裝的 板699，例如，小于大約10mm，封裝的終端部分,Am 699的頂部 突出。散熱片700的側(cè)壁可進(jìn)一步具有將受益于t魏蟲(chóng)冷卻的附著元件，例如驅(qū)動(dòng)板、電容和其它不適合臥到液體y軸卩劑中的部分。也掛共SA和排出殼體698的液體冷卻劑入口 710和冷卻劑出口 711。圖33示出圖32的板699的安裝和密封的另一型式，其中板800具有開(kāi) 口 801-808以容納8封裝400，但是旨開(kāi)口具有U形穩(wěn)定化體殼或框架， 例如為容納封裝400端部的^增強(qiáng)框架809、 810。當(dāng)保持封裝銅區(qū)域例如 區(qū)域441暴露于^i口液時(shí)增強(qiáng)框架809、 810等尤其只 ^轉(zhuǎn)口液術(shù)荒動(dòng)壓力 是有用的。其它開(kāi)鄰可用于體殼或框架809、 810。圖34中示出，圖33的結(jié)構(gòu)能由模元件900形成。針?！姥?00具有2 封裝容納開(kāi)口 901、 902和各自的增強(qiáng)框架903、 904。皿防7K^接，例如 螺釘、固化、硬焊接、粘歸轉(zhuǎn)，可堆疊t玩件900到粗可期望的高度。盡管本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于其特別實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是許多其它改變和變 型以及其它應(yīng)用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是顯而易見(jiàn)的。因此， 本發(fā)明不 爆艮于此處公開(kāi)的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種用于多個(gè)半導(dǎo)體封裝的具有改進(jìn)的冷卻性能的功率模塊組件；每個(gè)所述多個(gè)半導(dǎo)體封裝包括具有頂部和底部金屬側(cè)表面和與所述側(cè)表面垂直并且結(jié)合的第一和第二末端表面的薄的通常為矩形的體；設(shè)置在所述封裝的內(nèi)部并且具有從至少所述封裝的所述第一末端表面延伸的多個(gè)端子的至少一個(gè)中心半導(dǎo)體管芯，具有第一和第二相對(duì)表面的所述至少一個(gè)管芯熱連接到所述頂部和底部金屬側(cè)表面并且從其中電絕緣，和圍繞所述封裝的周?chē)闹辽僖徊糠植⑶沂顾龆鄠€(gè)端子與所述頂部和底部金屬側(cè)表面絕緣的絕緣殼體；連接到并且以與通過(guò)給定距離間隔的所述封裝的鄰近封裝的所述頂部和底部側(cè)表面以間隔平行的關(guān)系支撐的所述多個(gè)封裝并且是關(guān)于彼此之間同延的并且為了熱傳遞暴露到冷卻液中的封裝支架。
2、 根據(jù)權(quán)利要求i戶(hù)，的功率徵央組件，其中所^^寸裝支架包括具有以 *給定間隔設(shè)置在所^#裝的鄰近封裝之間并且與限定戶(hù)，每個(gè)戶(hù)，間隔 的封裝的戶(hù)皿側(cè)表面熱接觸的戶(hù);M矩形梳指的熱傳導(dǎo)梳。
3、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的功斜穀央組件，其中戶(hù); ^i寸裝支架包括容納并 且緊固至槨近在^^所^^寸裝中的戶(hù)脫至少一個(gè)半導(dǎo)^^件的端子的戶(hù);Mi寸裝的末端的導(dǎo)電板，由此冷卻液能循環(huán)經(jīng)由在鄰^i寸裝之間的所述特定間隔 以從其^^M側(cè)麗賴(lài)卩^h戶(hù);f^i寸裝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率機(jī)央組件，其中戶(hù)腿熱傳導(dǎo)梳包括夾緊在一起以限定戶(hù);M梳的多個(gè)同樣的板。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率機(jī)央組件，其中^i^f^J寸裝的所述端子超出所述梳的指的末端延伸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2戶(hù);M的功對(duì)對(duì)央組件，其中^f;M^寸裝的戶(hù)欣端子 超出戶(hù);M梳的指的側(cè)面,延伸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的功對(duì)穀央組件，其中*戶(hù); ^?！姥氚ㄖ辽賰蓚€(gè)管芯的共封裝。
8、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的功率模±央組件，其中^h戶(hù);MS少一個(gè)半導(dǎo)體管芯為MOS柵控器件。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1戶(hù)皿的功斜莫塊組件，其中進(jìn)一步包f碟置在旨所^^寸裝的戶(hù)脫端子的頂上并且使每個(gè)戶(hù);f^i寸裝的類(lèi)似端子彼此電連接的弓踐 框架組件。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3戶(hù)誠(chéng)的功^^莫±央組件，其中^^戶(hù);f^模i央包括至少兩個(gè)管芯的共封裝。
11、 根據(jù)權(quán)利要求3戶(hù)，的功^t對(duì)央組件，其中^h戶(hù)7MM少一個(gè)半導(dǎo)體管芯為MOS柵控器件。
12、 根據(jù)權(quán)利要求3戶(hù);M的功^t莫塊組f牛，其中進(jìn)一步包括i^a在旨 戶(hù);f^i寸裝的所述端子的頂上并且使每個(gè)戶(hù)/^^裝的類(lèi)似端子彼此電連接的引 線(xiàn)框架組件。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8戶(hù)腿的功斜對(duì)央組件，其中進(jìn)一步包括體在針?biāo)龇庋b的所述端子的頂上并且使旨戶(hù);f^M裝的類(lèi)似端子彼此電連接的引 線(xiàn)框架組件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13戶(hù)腿的功^i塊組件，其中包括至少^具有三個(gè)端子的4封裝，^^f^i寸裝的該端子M3l戶(hù)，弓l線(xiàn)框架組件并聯(lián)電連接。
15、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率模i央組件，其中進(jìn)一步包括具有開(kāi)口頂 部的冷卻液容器；所述導(dǎo)電板固定到并且密封交X^M開(kāi)口頂部；將^h所^^寸裝的^mx戶(hù);M冷卻器容器的冷卻液中；在戶(hù)/M冷卻劑容器表面上設(shè)置
16、 根據(jù)權(quán)利要求1戶(hù)鵬勺功,央組件，其中針戶(hù)維寸裝包括第一和第二DBC晶片，其M在它們之間的戶(hù)腿至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯形戯層； 每個(gè)所述封裝的所述頂部和底部金屬側(cè)表面分別包括所述第一和第二 DBC 晶片的銅板。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功^ii央組件，其中W^^^"裝具有在它 們的戶(hù)皿頂部和底部金屬側(cè)表面之間的厚度少于大約5mm。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功^^莫±央組件，其中m^W頂部和底部所 述表面具有^h的長(zhǎng)度和寬度大于大約10mm。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17戶(hù) 的功對(duì)莫塊組件，其中^^戶(hù);M頂部和底部所述表面具有^的長(zhǎng)度和寬度大于大約10mm。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19戶(hù)脫的功對(duì)彭央組件，其中戶(hù);M^寸裝支架包括具有 以^h給定間隔設(shè)置在戶(hù);Mi寸裝的鄰i^寸裝之間并且與限定戶(hù);M旨戶(hù)，間 隔的封裝的所述側(cè)表面熱接觸的矩形梳指的熱傳導(dǎo)梳。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19戶(hù)脫的功斜穀央組件，其中戶(hù);f^^寸裝支架包括容納 并且緊固至u鄰近在針戶(hù);f^i寸裝中的戶(hù)欣至少一個(gè)半導(dǎo)條件的端子的戶(hù)腿 封裝的末端的導(dǎo)電板，由此冷卻液能循環(huán)經(jīng)由在鄰i^寸裝之間的所述給定間 隔以從其^h戶(hù);M側(cè)麗軸卩旨戶(hù);f^i寸裝。
全文摘要
由多個(gè)單獨(dú)的薄封裝構(gòu)成的無(wú)引線(xiàn)連接功率模塊組件，每個(gè)封裝由兩個(gè)夾住一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體管芯的DBC晶片構(gòu)成。管芯電極和端子延伸穿過(guò)覆蓋在晶片夾層末端的絕緣并且?jiàn)A層的外部側(cè)面為與半導(dǎo)體管芯良好熱傳遞但從其中電絕緣的DBC晶片的外部銅板。可通過(guò)在端子上的引線(xiàn)框架并聯(lián)連接多個(gè)封裝并且在其間具有間隔的堆疊封裝以使所有封裝的兩個(gè)面暴露于冷卻媒介中，既可以是導(dǎo)電梳的指也可以是流體熱交換媒介。
文檔編號(hào)H01L23/04GK101276806SQ20071012887
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月24日
發(fā)明者H·M·豪恩施泰因 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司