[發明專利]陣列柔性焊柱連接蒸發冷卻半導體器件封裝

無效

• 申請號: 200910158009.4
• 申請日: 2009-07-16
• 公開（公告）號: CN101958297A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: 王玉富
• 申請（專利權）人: 王玉富
• 主分類號: H01L23/488
• 分類號: H01L23/488;H01L23/427
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于半導體器件封裝領域，具體涉及了一種陣列柔性焊柱連接蒸發冷卻半導體器件封裝

背景技術

以半導體功率器件、微電子和計算機技術為基礎的現代電力電子技術是節能減排、開發綠色能源的核心和關鍵。而半導體功率器件的電特性和熱特性又是核心的核心、關鍵的關鍵。一方面半導體功率器件的應用為人類節約了大量的能源，另方面其工作過程中無法避免的熱效應而導致失效又是各類變換器損壞的主要原因。大部分半導體功率器件優化的工作溫度為100℃以下，很多器件在100℃以上時就很容易失效。因此，一方面要降低器件的損耗，例如發展高速度低導通壓降器件、軟開關等技術，同時要改善器件的散熱性能，缺一不可。

半導體器件封裝樣式多種多樣，早期主要是各類引線工藝，技術本身存在諸多缺陷，表現在：多根引線并聯會產生鄰近效應，導致同一硅片的鍵合線之間或同一模塊內的不同硅片的鍵合線之間電流分布不均；由于高頻大電流通過互相平行的引線產生電磁場，由此形成的電磁力容易造成引線老化；引線鍵合工藝的寄生電感很大，會給器件帶來較高的開關過電壓，形成開關應力；引線本身很細，又普遍采用平面封裝結構，傳熱性能不夠好；引線和硅片作為不同的材料，二者熱膨脹系數的差異會產生熱應力等等。近年來發展的各類凸點陣列球焊工藝使情況大為改進。但工業應用的大功率的半導體功率器件如可控硅、GTO會有很大的面積，每個管芯直徑常大于50mm，重要的不是驅動保護等各種功能性的智能化集成，而是功率器件本身的輸入輸出引線的寄生電感，器件的熱阻，內部的熱應力。傳統電力電子器件采用的互連工藝主要有鍵合與壓接兩種方式。前者適用于電流容量為50～600A的器件，由于工藝成熟、成本低，應用較為廣泛；后者適用于電流超過500～3000A的器件。然而，這兩種互連方式都有很大缺陷，熱阻、熱應力、功率引線的寄生電阻和電感是設計要點，也是最大的問題所在。鍵合方式為減小熱應力的影響，常在硅片和導電襯底間加鉬片，增加了熱阻，電阻，成本，熱應力也沒徹底消除。壓接方式的缺陷主要體現在對管芯、壓塊、底板等零件平整度要求很高，否則不僅使模塊的接觸熱阻增大，而且會損傷芯片，嚴重時使芯片碎裂；要保證施加合適的壓力，壓力過大，會損傷芯片；壓力過小，不僅使正向峰值壓降、熱阻增大，而且會使這兩個參數不穩定；由于熱應力會使彈簧片等緊固件發生較大的塑性形變，使加在芯片上的壓力發生變化，造成正向峰值壓降和熱阻不穩定；工藝設備復雜，成本，高，殼內零件較多易引起芯片沾污。因此，低寄生參數、高性能、能有效傳熱、高可靠性的新型封裝結構和互連方式成為工藝中研究的主要問題。

功率器件的散熱主要有風冷卻，水冷卻和蒸發冷卻三種方式。近年來隨著功率密度的增加，高效能的蒸發冷卻越來越引起人們的重視，進行了大量的研究。如中國專利200910157264.7，200910009142.3公開了重力循環蒸發冷卻技術方案，使半導體功率器件的封裝不但具有更好的熱傳導特性，且適于印制板裝配。但并沒有接決器件的熱應力這一重要問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一個解決以上問題的技術方案。

為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案如下：

一種重力循環蒸發冷卻半導體器件封裝，包括構成蒸發腔室的外殼、腔室內的器件管芯和周邊的密封樹脂，腔室內的器件管芯包括半導體芯片、板狀引出線其特征在于所述半導體芯片和板狀引出線由陣列柔性焊柱連接，所述柔性焊柱由細金屬絲組合而成，橫截面圓形或圓角方形為優選，兩個端面由熔合或焊接形成金屬固化薄層，厚度以0.2到0.6毫米為優選，由導電和導熱性能好的金屬制成，優選銅或銅合金。當芯片的面積過大，例如直徑大于20毫米，可使柔性焊柱平行的兩個端面與柱面不垂直，使得焊柱與半導體芯片、板狀引出線焊接后不垂直，偏離角度以5-15度為優選，偏離的方向以在半導體芯片的中心垂線為中心線的圓柱面內沿圓周同一方向，兩個面對稱為優選，這樣就可使熱伸縮轉變為芯片的微旋轉，進一步減小熱應力。

焊裝有平板引線的半導體功率器件管芯，以垂直方向為優選，有利于汽泡的上行，其平板引線由密封腔體蒸發室側面引出，通過壓緊和樹脂密封整個冷卻系統。

本發明的有益效果

本發明技術方案采用陣列柔性焊柱連接，重力循環蒸發冷卻原理進行散熱的半導體器件封裝，在結構上，本發明的技術方案的半導體管芯立向直接裝在蒸發室內，不但實現了最好的熱傳遞，而且裝配緊湊，更減小了器件內的熱機械應力，提高了壽命。器件進一步小型化，結構上更利于產品的印制板裝配。

附圖說明