專利名稱：一種大功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)及其封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力(功率)電子學(xué)領(lǐng)域，并且更具體地涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序 部分的半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
功率半導(dǎo)體模塊或稱電力電子模塊是為工作在相對較高的電壓(例如，大于100 伏)或者相對較高的電流(例如，大于10安)的電路設(shè)計的。功率半導(dǎo)體模塊至少包括功 率半導(dǎo)體晶元，用于進行電流的切換、調(diào)節(jié)或者整流。功率半導(dǎo)體模塊的種類至少包括可控 硅整流器(SCR)、功率調(diào)節(jié)器、功率晶體管、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物場效 應(yīng)晶體管(MOSFET)、功率整流器、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管、或者任何其它的功率半導(dǎo) 體元件。當今，功率半導(dǎo)體模塊，特別是具有雙管結(jié)構(gòu)的大功率單相半橋快恢復(fù)二極管半 導(dǎo)體模塊，被用在許多功率電子電路，尤其是逆變電焊機、電鍍電源以及變頻器等電路中。 這種類型的功率半導(dǎo)體模塊包含例如由塑料制造的殼體。所述塑料由例如環(huán)氧樹酯等可硬 化鑄造的復(fù)合物組成，這意味著熱固性的塑料被選擇用于此目的。功率半導(dǎo)體模塊一般還 包含基板，其中上面提到的大功率半導(dǎo)體晶元被放置在所述基板與所述殼體相配合的表面 上。所述大功率半導(dǎo)體晶元以及放置在所述基板與所述殼體相配合一側(cè)表面的連接部件被 封裝在所述環(huán)氧樹酯的殼體中。其中所述大功率半導(dǎo)體晶元通過所述連接部件與外露的大 功率半導(dǎo)體模塊管腳或端子相連，所述管腳或端子可與外部應(yīng)用電路相連。然而，大功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部的半導(dǎo)體晶元在使用過程中都會將一部分電能轉(zhuǎn)化 為熱能(熱損耗)，導(dǎo)致模塊整體溫度升高，在停止使用后模塊溫度會降低，這種模塊溫度 的升高和降低構(gòu)成模塊使用過程中的工作溫度循環(huán)。模塊溫度升高時導(dǎo)致模塊各部件膨 脹，模塊溫度降低時模塊各部件收縮，這種熱脹冷縮對半導(dǎo)體晶元、殼體、封裝樹酯、焊錫層 及其它部件產(chǎn)生不希望的應(yīng)力，其可能導(dǎo)致所述半導(dǎo)體晶元、殼體、封裝樹酯、焊錫材料的 開裂或剝離，這意味著所述大功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部各部件本身或之間的連接被損壞或者破 壞。如果所述功率半導(dǎo)體模塊被用在苛刻的環(huán)境中，即如果其受到搖動、振動等形式的高加 速力，可加劇上面提到的開裂或剝離，導(dǎo)致諸如殼體脫落、封裝樹酯開裂或脫落、焊錫層開 裂或剝離、半導(dǎo)體晶元開裂等嚴重后果。當這些情況發(fā)生后，所述功率半導(dǎo)體模塊可能不再 工作或者至少不再可靠地工作。造成所述嚴重后果的原因包括所述殼體與所述基板之間連 接不可靠、封裝樹酯與所述基板之間連接不可靠、所述功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部沒有應(yīng)力緩沖 結(jié)構(gòu)或應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)不能有效緩解應(yīng)力對所述模塊內(nèi)部各部件的損傷。在JP 10-233472中示出了具有減小這種危險的構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置。該外殼具有 側(cè)壁并且它在側(cè)壁的一側(cè)被其上布置了半導(dǎo)體芯片的基板所封閉而在相對側(cè)上帶有蓋子。 在外殼中，灌入電絕緣硅凝膠填充物，從而覆蓋芯片。蓋子與封裝樹酯一起從頂部密封外 殼。通常，與半導(dǎo)體晶元電連接的電端子被焊接在基板上。該端子通過凝膠、硬化的樹酯和 蓋子從基板引出。對于制造而言，凝膠在室溫下被填充到外殼中并且在提高的溫度(通常大約125°C )下被固化。在凝膠填充物上，封裝樹酯被填充并且被固化。封裝樹酯也在提高 的溫度下(通常也在125°C下)被固化。在工作過程中，凝膠在填充樹酯中受熱時熱膨脹， 并且它在模塊冷卻下來時收縮。由于凝膠與樹酯直接接觸，凝膠的熱脹冷縮會對封裝樹酯 產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致封裝樹酯出現(xiàn)裂縫。這些裂縫可能導(dǎo)致封裝樹酯不能有效保護模塊內(nèi)部結(jié) 構(gòu)，從而損傷甚至毀壞模塊。在DE 19630173C2中公開了一種具有至少一個中心孔，用于實現(xiàn)與冷卻體螺釘連 接的功率半導(dǎo)體模塊。此孔與電路板背對功率半導(dǎo)體模塊一側(cè)上設(shè)置的、并且在此側(cè)面上 平放的、形狀固定的壓塊一起用于模塊的壓力接觸。這種壓力接觸同時滿足兩項任務(wù)一方 面實現(xiàn)連接件與電路板可靠的電接觸，另一方面實現(xiàn)模塊與冷卻體的熱接觸，這里兩個接 觸都是可逆的。其中功率半導(dǎo)體模塊與電路板之間的連接由焊腳實現(xiàn)。這些焊腳被用作功 率半導(dǎo)體元件在功率模塊內(nèi)部與電路板上的導(dǎo)電條之間電氣連接的控制連接件和負載連 接件。其結(jié)構(gòu)的缺點在于，當模塊在惡劣的條件下工作時，單純的焊接和膠粘具有解體的危 險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體模塊，它包括導(dǎo)熱底板、螺母、外殼、半導(dǎo)體晶元、螺 釘、應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)、金屬片以及焊錫片。其中，導(dǎo)熱底板為模塊封裝的基體，整個模塊用焊錫 片焊接在一起，外殼通過封裝膠與導(dǎo)熱底板粘結(jié)在一起，再用封裝樹酯將模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 封起來，導(dǎo)熱底板上的螺釘起到將灌封樹酯輔助固定在導(dǎo)熱底板上的作用。在本發(fā)明提供 的功率半導(dǎo)體模塊中設(shè)有應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱底板上有半導(dǎo)體晶元定位結(jié)構(gòu)和外殼定位結(jié) 構(gòu)，外殼上有與導(dǎo)熱底板相對應(yīng)的定位結(jié)構(gòu)。其中，所述應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)選為U形銅片，用 于緩解元件在使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力對所述半導(dǎo)體晶元的沖擊；所述半導(dǎo)體 晶元定位結(jié)構(gòu)為矩形凹坑，優(yōu)選為方形，能使金屬片、半導(dǎo)體晶元及其以上各部分準確地焊 接在凹坑確定的位置。所述半導(dǎo)體晶元定位結(jié)構(gòu)同時能確保金屬片與導(dǎo)熱底板之間有一定 的焊錫厚度，從而有效地緩解模塊工作過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力對半導(dǎo)體晶元的傷害；所述外 殼定位結(jié)構(gòu)為外殼定位孔，主要用于外殼的定位；所述外殼上與導(dǎo)熱底板相應(yīng)的定位結(jié)構(gòu) 為外殼上的定位柱，用于在裝配時插入導(dǎo)熱底板上的定位孔。


圖1為功率半導(dǎo)體模塊的外形2為功率半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3為功率半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)熱底板結(jié)構(gòu)4為功率半導(dǎo)體模塊的外殼圖
具體實施例方式下面參見各附圖，附圖中類似的數(shù)字表示相同或相應(yīng)的部件，圖1是模塊封裝好 以后的外形圖，圖2是構(gòu)成本發(fā)明主題大功率半導(dǎo)體模塊的優(yōu)選實施方式1。利用常規(guī)方 法，讓模塊內(nèi)部按照導(dǎo)熱底板1、焊錫片7、金屬片8、焊錫片9、半導(dǎo)體晶元5、焊錫片10、金 屬片11、焊錫片12、應(yīng)力緩沖U形銅片4、焊錫片13、螺母2順次連接。其中，導(dǎo)熱底板1為模塊封裝的基體，整個模塊用焊錫片7、8、10、12、13焊接在一起。其中，螺母2為與外電路 連接的管腳，金屬片用于保護晶元，并形成導(dǎo)熱導(dǎo)電通路。將外殼3通過封裝膠與導(dǎo)熱底板按圖1粘結(jié)在一起，再用封裝樹酯將模塊的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)封起來，導(dǎo)熱底板上的螺釘6起到將灌封樹酯輔助固定在導(dǎo)熱底板上的作用。其中，用 封裝樹酯將模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)封起來是為了阻止外部環(huán)境中的水汽、化學(xué)物質(zhì)等進入模塊內(nèi) 部。應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)4，優(yōu)選為U型銅片，這一優(yōu)選方案緩解了元件在使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng) 力和機械應(yīng)力對晶元5的沖擊。圖3是帶有半導(dǎo)體晶元定位結(jié)構(gòu)1-1的優(yōu)選實施方式2。如圖2所示，為使金屬片 8及其以上部分能夠準確焊接在導(dǎo)熱底板1上，在導(dǎo)熱底板1中設(shè)置了定位結(jié)構(gòu)1-1，為矩 形凹坑，優(yōu)選為方形。這樣，既能使模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)準確焊接在導(dǎo)熱底板1上，同時能夠確 保金屬片8與導(dǎo)熱底板1之間有一定的焊錫厚度，從而有效地阻止模塊運行時產(chǎn)生的應(yīng)力 傳遞到半導(dǎo)體晶元5上。圖3還是帶有外殼定位結(jié)構(gòu)1-2的實施方式3。在常規(guī)的方式中，外殼3與導(dǎo)熱底 板1是用封裝膠連接在一起的，在苛刻的作業(yè)環(huán)境下會有不希望發(fā)生的情況如解體等情況 發(fā)生。因此，如圖3所示，為使外殼3在導(dǎo)熱底板1上定位且更好的固定，設(shè)置了外殼定位 結(jié)構(gòu)1-2，優(yōu)選為圓形定位孔。同時，如圖4所示，為了更好的配合設(shè)置在導(dǎo)熱底板1上的外 殼定位結(jié)構(gòu)1-2進行定位且更好的固定，在外殼上設(shè)置了底板定位結(jié)構(gòu)3-1，優(yōu)選為與圓形 定位孔配套的圓形定位柱。值得注意的是，在導(dǎo)熱底板1上設(shè)置的外殼定位結(jié)構(gòu)1-2和在外殼3上設(shè)置的底 板定位結(jié)構(gòu)3-1所采用的圓形孔和圓形柱為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式且不限于此，所以任何 形狀的可實現(xiàn)本功能的替換且包括其產(chǎn)生的有益效果在內(nèi)，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。 同理，在導(dǎo)熱底板1上設(shè)置的模塊定位結(jié)構(gòu)1-1和在模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)中使用的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)4 所采用的方形凹坑和U型銅片亦為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式且不限于此，所以任何形狀的可 實現(xiàn)本功能的替換且包括其產(chǎn)生的有益效果在內(nèi)，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)及其封裝，它包括導(dǎo)熱底板、與外電路連接的螺母、外 殼、半導(dǎo)體晶元、灌封樹酯固定螺釘、金屬片以及焊錫片。其中，導(dǎo)熱底板為模塊封裝的基 體，整個模塊用焊錫片焊接在一起，將外殼通過封裝膠與導(dǎo)熱底板粘結(jié)在一起，再用封裝樹 酯將模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)封起來，用固定裝置將灌封樹酯固定，，其特征是模塊中設(shè)有應(yīng)力緩 沖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱底板上有模塊定位結(jié)構(gòu)和外殼定位結(jié)構(gòu)，外殼上有與導(dǎo)熱底板相應(yīng)的底板定 位結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)為U型銅片， 用于緩解元件在使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力對晶元的沖擊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述模塊定位結(jié)構(gòu)為矩形凹坑， 被設(shè)置在所述導(dǎo)熱底板面對所述外殼的表面的一部分上，能使金屬片及其以上部份準確焊 接在凹坑的位置，同時確保金屬片與導(dǎo)熱底板之間有一定的焊錫厚度，從而有效阻止模塊 運行時產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到半導(dǎo)體晶元上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述外殼固定結(jié)構(gòu)為外殼定位 孔，主要用于外殼的定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述外殼上與導(dǎo)熱底板相應(yīng)的 底板定位結(jié)構(gòu)為外殼上的定位柱，用于在裝配時插入導(dǎo)熱底板上的定位孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述外電路連接的管腳為鍍鎳 銅螺母。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述導(dǎo)熱底板為鍍鎳銅底板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征是所述外殼由電絕緣材料尤其是 塑料制成。
全文摘要
當今，功率半導(dǎo)體模塊特別是具有雙管結(jié)構(gòu)的大功率單相半橋快恢復(fù)二極管半導(dǎo)體模塊，被用在許多功率電子電路中，尤其是在焊機、電鍍電源以及變頻器等電路中。本發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)和封裝設(shè)計，它包括導(dǎo)熱底板、螺母、外殼、半導(dǎo)體晶元、螺釘、應(yīng)力緩沖件、金屬片以及焊錫片。其中，導(dǎo)熱底板為模塊封裝的基體，整個模塊用焊錫片焊接在一起，用封裝膠將外殼與導(dǎo)熱底板粘結(jié)在一起，再用封裝樹脂將模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)封起來，導(dǎo)熱底板上的螺釘起到將灌封樹脂輔助固定在導(dǎo)熱底板上的作用。在本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體模塊中設(shè)有應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱底板上有半導(dǎo)體晶元定位結(jié)構(gòu)和外殼定位結(jié)構(gòu)，外殼上有定位結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱底板相應(yīng)的外殼定位結(jié)構(gòu)相匹配。
文檔編號H01L23/10GK102082132SQ20101052901
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者劉立東 申請人:北京統(tǒng)合萬方科技有限公司