[發明專利]一種大功率半導體模塊結構及其封裝

有效

• 申請號: 201010529014.4
• 申請日: 2010-11-03
• 公開（公告）號: CN102082132A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 劉立東
• 申請（專利權）人: 北京統合萬方科技有限公司
• 主分類號: H01L23/31
• 分類號: H01L23/31;H01L23/10;H01L23/13;H01L25/11
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技術領域

本發明涉及電力(功率)電子學領域，并且更具體地涉及根據權利要求1的前序部分的半導體模塊。

背景技術

功率半導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)的電路設計的。功率半導體模塊至少包括功率半導體晶元，用于進行電流的切換、調節或者整流。功率半導體模塊的種類至少包括可控硅整流器(SCR)、功率調節器、功率晶體管、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)、功率整流器、快恢復二極管、肖特基二極管、或者任何其它的功率半導體元件。

當今，功率半導體模塊，特別是具有雙管結構的大功率單相半橋快恢復二極管半導體模塊，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體模塊包含例如由塑料制造的殼體。所述塑料由例如環氧樹酯等可硬化鑄造的復合物組成，這意味著熱固性的塑料被選擇用于此目的。功率半導體模塊一般還包含基板，其中上面提到的大功率半導體晶元被放置在所述基板與所述殼體相配合的表面上。所述大功率半導體晶元以及放置在所述基板與所述殼體相配合一側表面的連接部件被封裝在所述環氧樹酯的殼體中。其中所述大功率半導體晶元通過所述連接部件與外露的大功率半導體模塊管腳或端子相連，所述管腳或端子可與外部應用電路相連。

然而，大功率半導體模塊內部的半導體晶元在使用過程中都會將一部分電能轉化為熱能(熱損耗)，導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成模塊使用過程中的工作溫度循環。模塊溫度升高時導致模塊各部件膨脹，模塊溫度降低時模塊各部件收縮，這種熱脹冷縮對半導體晶元、殼體、封裝樹酯、焊錫層及其它部件產生不希望的應力，其可能導致所述半導體晶元、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體模塊內部各部件本身或之間的連接被損壞或者破壞。如果所述功率半導體模塊被用在苛刻的環境中，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、半導體晶元開裂等嚴重后果。當這些情況發生后，所述功率半導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、所述功率半導體模塊內部沒有應力緩沖結構或應力緩沖結構不能有效緩解應力對所述模塊內部各部件的損傷。

在JP?10-233472中示出了具有減小這種危險的構件的半導體裝置。該外殼具有側壁并且它在側壁的一側被其上布置了半導體芯片的基板所封閉而在相對側上帶有蓋子。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℃)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℃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生應力，導致封裝樹酯出現裂縫。這些裂縫可能導致封裝樹酯不能有效保護模塊內部結構，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，用于實現與冷卻體螺釘連接的功率半導體模塊。此孔與電路板背對功率半導體模塊一側上設置的、并且在此側面上平放的、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：一方面實現連接件與電路板可靠的電接觸，另一方面實現模塊與冷卻體的熱接觸，這里兩個接觸都是可逆的。其中功率半導體模塊與電路板之間的連接由焊腳實現。這些焊腳被用作功率半導體元件在功率模塊內部與電路板上的導電條之間電氣連接的控制連接件和負載連接件。其結構的缺點在于，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。

發明內容