一種功率器件封裝結構及封裝方法
【專利摘要】本發明涉及一種功率器件封裝結構及封裝方法及封裝方法，本發明功率器件封裝結構包括芯片槽、與芯片槽一體的是可以單獨用作一個電極的金屬外殼、通過環形絕緣層固定在金屬外殼的側下方的引腳，以及用于器件密封的金屬蓋板。本發明的金屬管殼可以做獨立的電極使用，以貼片的形式焊接的在電路中；本封裝所具有的四管腿結構可以滿足新型功率器件對管腳數目的要求；與傳統功率器件相比較本發明具有更大的用于安放芯片的芯片槽，而由金屬制成的外管殼尺寸較小，可以實現高功率器件的大芯片小封裝。
【專利說明】
一種功率器件封裝結構及封裝方法
技術領域
[0001]本發明屬于半導體器件封裝技術領域，具體涉及一種功率器件封裝結構及封裝方法。
【背景技術】
[0002]功率半導體器件主要是指用于電力設備的電能變換和控制電路方面的大功率的電子器件，通常電流為數十至數千安，電壓達到數百伏以上。目前常用的功率半導體器件有晶閘管、GT0、M0SFET、IGBT等，這些功率器件封裝引腳上均需要承受高耐壓或者大電流，因此安裝有此類大功率半導體芯片的功率器件封裝需要具有高耐壓和很強的散熱能力；另夕卜、隨著功率耐壓和電流驅動能力的增加，芯片尺寸也在不斷增加，對于新型功率器件的封裝還需要具有封裝大尺寸芯片的能力。
[0003]再者，目前功率器件的封裝多為三管腳結構，理論上可以滿足功率器件常用的三個電極的要求，但是對于用于脈沖放電領域的新型功率器件，若仍采用三管腳結構的封裝型式，在脈沖放電時極易造成器件的損壞，如圖1所示，對于應用于脈沖放電電路中的IGBT芯片，器件開啟時將在器件陰極(E)瞬間通過大電流，，由于芯片封裝時引線以及管腳寄生電感L的存在，在芯片陰極處瞬間產生上百伏的感生電勢(U(t)=L*di/dt)，而柵極所加電位(一般會在1V左右)基本保持不變，因而柵極和芯片陰極兩端會產生過高的電勢差(U(t)-Vg)，從而使柵氧化層擊穿，導致器件損壞。
[0004]進一步地，現有功率器件的版圖設計的復雜度不斷增加，受到載片臺空間及引腳位置的限制，打線的可選擇行很小，特別是對于組合封裝的器件，往往會受到載片空間以及打線空間狹窄的限制。
【發明內容】
[0005]本發明的目的，就是針對上述傳統功率器件封裝中存在的三引腳結構寄生電感造成的器件損壞、封裝芯片的尺寸小、器件封裝的導熱性差、外引腳耐壓低的問題提出了一種新型的四管腳、大芯片小封裝、引腳高耐壓，導熱性能好的功率器件封裝結構。
[0006]本發明的技術方案是，一種功率器件封裝結構，包括金屬管殼2;所述金屬管殼2中部挖有芯片槽I，金屬管殼2下方具有與芯片槽I連接的通孔，通孔中具有絕緣層3，還包括引腳4，所述引腳4從金屬管殼2外部穿過絕緣層3并延伸至芯片槽I中；還包括金屬蓋板5，所述金屬蓋板5用于完全覆蓋芯片槽I，并與金屬管殼2形成密封連接;其特征在于，所述引腳4和絕緣層3為4個，所述金屬管殼2用于作為獨立電極;所述芯片槽I的尺寸為10*9*3mm。
[0007]如圖2(四腳對應封裝見圖5)所示，本發明的上述結構若應用于脈沖放電領域的IGBT芯片采用四管腿結構，將為柵極(G)提供參考電勢的陰極(El)單獨引出，在器件開啟時，電容的放電回路如圖中箭頭所示，放電電流主要從器件陰極管腳流過，而為柵陰提供的參考電勢的電極不會流過大電流，能夠有效地拉低由寄生電感產生的感應電勢(U (t ))，從而降低柵極與陰極兩端的電勢差(U(t)-Vg)，進而避免柵氧化層的損壞。
[0008]相對于金屬結構的T0263-5L封裝(圖3)，本發明具有更大的載片槽，可以實現大芯片的小封裝，去除了 T0263-5L封裝中冗余的連接金屬管殼的外引腳(5)，增大了各引腳之間的間距以及絕緣層的厚度，使各引腳之間可以承受更高的耐壓。
[0009]另外，本發明開創性地采用整體金屬管殼作為一個獨立電極的結構，該電極結構具有更大的與芯片上引線的鍵合空間，增大了導熱面積使該電極上可以承載大電流，同時本發明設計的功率器件封裝，引腳采用全浮空結構，引腳與管殼電極之間的導熱性能更好，使用該封裝的器件既可以通過貼片焊接的形式固定在PCB板上也可以用過排插的形式焊接，增加了連接的可選擇行。
[0010]再者，本發明設計的較大尺寸的芯片槽，金屬管殼可做獨立電極，以及高耐壓的四管腳結構可以滿足多種芯片的組合封裝，增加了打線方式的可選擇性;如圖7所示，對于一些小尺寸的無源器件、功能器件可以與一定尺寸的有源器件組合封裝在該封裝中。
[0011]進一步的，所述功率器件封裝結構用于型號為T0263-5L的芯片。
[0012]—種功率器件的封裝方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]a.在金屬管殼2的中部設置芯片槽I，所述芯片槽I的尺寸為10*9*3mm;所述金屬管殼2用于作為獨立電極；
[0014]b.設置高耐壓的四管腳結構，所述四管腳結構包括一端與芯片槽I連接，一端貫穿金屬管殼2的瓷環形絕緣層3，引腳4固設在瓷環形絕緣層3中；
[0015]c.在芯片槽I中固定芯片，引腳4的一端與芯片連接；
[0016]d.設置覆蓋在芯片槽I上并與金屬管殼2密封連接的金屬蓋板5。
[0017]本發明的有益效果為，增大了導熱面積使該電極上可以承載大電流，同時本發明的功率器件封裝，引腳采用全浮空結構，引腳與管殼電極之間的導熱性能更好，使用該封裝的器件既可以通過貼片焊接的形式固定在PCB板上也可以用過排插的形式焊接，增加了連接的可選擇行。
【附圖說明】
[0018]圖1是傳統三管腳封裝的IGBT芯片的脈沖放電電路圖；
[0019]圖2是采用四管腳封裝雙陰極IGBT芯片的脈沖放電電路圖；
[0020]圖3是傳統金屬封裝的T0263-5L封裝的主視圖(不含蓋板)；
[0021]圖4是載有芯片和引線的本發明的封裝結構(不含蓋板)；
[0022]圖5是本發明一種功率器件封裝結構的主視圖(含蓋板)；
[0023]圖6是本發明一種功率器件封裝結構的側視圖(含蓋板結構)；
[0024]圖7是本發明應用于組合器件的封裝中的示意圖(含蓋板結構)。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行描述
[0026]如圖5所示，本發明一種功率器件的封裝結構包括芯片槽1、金屬管殼2、環形結緣層3、四個外引腳4、金屬蓋板5。所述芯片槽尺I寸為10*9*3mm是傳統T0263-5L封裝(圖3)的芯片槽I尺寸要大，可以安放更大體積的芯片實現大芯片小封裝，同時芯片槽I底板有更大的空間作為芯片與金屬管殼2以及外引腳4的鍵合點，也增大了芯片槽I內的導熱面積。
[0027]對于一些新型功率器件特別是應用于脈沖領域的功率器件的四引腳結構，傳統的三管腳封裝已經不再滿足該類芯片的封裝要求，如圖1所示，若使用三引腳封裝，對于應用于脈沖放電電路中的IGBT芯片，器件開啟時將在器件陰極(E)瞬間通過大電流，，由于芯片封裝時引線以及管腳寄生電感L的存在，在芯片陰極處瞬間產生上百伏的感生電勢(U(t) =L*di/dt)，而柵極所加電位(一般會在1V左右)基本保持不變，因而柵極和芯片陰極兩端會產生過高的電勢差(U(t)-Vg)，從而使柵氧化層(G)擊穿，導致器件損壞。若功率器件采用四封裝能夠很好解決三管腳所出現的上述問題，如圖2(四腳對應封裝見圖5)所示，若此IGBT芯片采用四管腿結構，將為柵極(G)提供參考電勢的陰極(El)單獨引出，在器件開啟時，電容的放電回路如圖中箭頭所示，放電電流主要從器件陰極管腳流過，而為柵陰提供的參考電勢的電極不會流過大電流，能夠有效地拉低由寄生電感產生的感應電勢(U(t))，從而降低柵極與陰極兩端的電勢差(u(t)-Vg)，進而避免柵氧化層的損壞。
[0028]本發明中創新性設計的金屬管殼2可以作為一個獨立電極電極使用，該電極不同于傳統T0263-5L封裝的管殼電極在于去除冗余的管殼外引腳5(見圖3)，本發明中的金屬管殼背面可以獨立作為一個引腳以貼片形式焊接在PCB板上，這種金屬管2殼作為電極引腳的優勢在于不但芯片槽I內部具有更大的引線鍵合空間，而且，由于這個大面積的金屬電極存在，使該功率器件封裝更能承載功率器件的大電流，如圖4所示，該管殼電極可以作為大功率MCT器件的陽極電極，由于該電極面積較大，總體電阻較小，即使在大電流的情況下，器件在該引腳上的功耗也很小，其它低電流引腳可以通過芯片槽內的引線連接在外引腳上，由于此獨立電極的存在，擴大了可封裝芯片的范圍，特定芯片可以根據引腳條數，來選擇相應引腳連接形式。
[0029]本發明設計的一種功率器件封裝的管殼2采用金屬封裝而且背面的金屬基板面積較大，不僅可以作為承載大電流的電極使用而且該結構特征還具有良好的散熱性能，封裝背面的大面積金屬管殼2更有助于芯片槽I內功率芯片內部熱量的散發提高器件的導熱效率，使功率芯片性能更加穩定;再者，本發明設計的較大尺寸的芯片槽，金屬管殼可做獨立電極，以及高耐壓的四管腳結構可以滿足多種芯片的組合封裝，增加了打線方式的可選擇性；如圖7所示，對于一些小尺寸的無源器件、功能器件可以與一定尺寸的有源器件組合封裝在該封裝中。
[0030]如圖5所示，由絕緣性能良好的陶瓷材料做成的環形絕緣層3相對于傳統T0263-5L金屬封裝，由絕緣陶瓷材料制成的絕緣層更厚，各個相鄰引腳4之間所承受的擊穿電壓更高，不至于因為引腳之間耐壓低而導致功率芯片的誤擊穿，使本發明可以用于高耐壓功率器件的封裝，提高功率器件在高耐壓下的穩定性。同時由陶瓷材料構成的絕緣層對該封裝的引腳還有很好的固定作用，而且絕緣層3、引腳4、金屬管殼I以及金屬上方蓋板5形成密封使封裝內部可填充惰性氣體提高芯片工作的穩定性。
[0031]相對于傳統的T0263-5L封裝，本發明減少了一個冗余管殼引腳，采用金屬管殼背面貼片做引腳設計，在并未減少芯片可用電極的個數的情況下，使金屬電極的間距增大，絕緣層厚度增加這將會使引腳間的擊穿電壓增大，可用于高耐壓功率封裝，該封裝形式可以廣泛應用于新型功率半導體芯片結構的封裝中。
【主權項】
1.一種功率器件封裝結構，包括金屬管殼(2);所述金屬管殼(2)中部挖有芯片槽(I)，金屬管殼(2)下方具有與芯片槽(I)連接的通孔，通孔中具有絕緣層(3)，還包括引腳(4)，所述引腳(4)從金屬管殼(2)外部穿過絕緣層(3)并延伸至芯片槽(I)中；還包括金屬蓋板(5)，所述金屬蓋板(5)用于完全覆蓋芯片槽(I)，并與金屬管殼(2)形成密封連接;其特征在于，所述引腳(4)和絕緣層(3)為4個，所述金屬管殼(2)用于作為獨立電極;所述芯片槽(I)的尺寸為 10*9*3mm。2.一種功率器件的封裝方法，其特征在于，包括以下步驟: a.在金屬管殼(2)的中部設置芯片槽(I)，所述芯片槽(I)的尺寸為10*9*3mm;所述金屬管殼(2)用于作為獨立電極； b.設置高耐壓的四管腳結構，所述四管腳結構包括一端與芯片槽(I)連接，一端貫穿金屬管殼(2)的瓷環形絕緣層(3)，引腳(4)固設在瓷環形絕緣層(3)中； c.在芯片槽(I)中固定芯片，引腳(4)的一端與芯片連接； d.設置覆蓋在芯片槽(I)上并與金屬管殼(2)密封連接的金屬蓋板(5)。
【文檔編號】H01L23/31GK106098651SQ201610677974
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610677974.2, CN 106098651 A, CN 106098651A, CN 201610677974, CN-A-106098651, CN106098651 A, CN106098651A, CN201610677974, CN201610677974.2
【發明人】陳萬軍, 劉亞偉, 唐血峰, 婁倫飛, 陶虹, 劉承芳, 劉杰, 張波
【申請人】電子科技大學