功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種功率模塊，其包括封裝支撐基板以及位于所述封裝支撐基板上的功率半導體芯片組，所述功率半導體芯片組具有一個或多個功率半導體芯片，功率半導體芯片組具有三個連接電極，所述三個連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極；封裝支撐基板上設有設置用于與第一電極電連接的第一連接層、用于與第二電極電連接的第二連接層以及用于與第三電極電連接的第三連接層；功率半導體芯片組的第二電極通過功率金屬連接片與第二連接層電連接，且功率金屬連接片上設置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結構。本實用新型結構緊湊，工藝簡單，能降低寄生電感，增強過電流能力，降低了熱阻，提高可靠性。
【專利說明】
功率模塊
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種封裝結構，尤其是一種功率模塊，屬于電力電子器件的技術領域。
【背景技術】
[0002]對于普通的焊接式IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和MOSFET(金屬-氧化物半導體場效應晶體管)功率模塊來說，半導體芯片的電氣連接主要是靠鋁線楔焊鍵合技術來實現的，采用鋁線楔焊鍵合主要是因為其工藝簡單成熟，成本低廉，適合大規模生產。一般地，半導體芯片的柵極通過金屬線與基板表面銅層連接。半導體芯片的發射極(源極)通過鋁線和基板表面銅層連接。但是由于功率模塊要求其內部的半導體芯片流過較大的電流，而單根鋁線的載流能力比較弱，接觸電阻太大，所以需要在一個模塊的內部半導體芯片上鍵合多根并聯鋁線，以用于通過較大的電流，而集成化的模塊中通常有多個半導體芯片組成電路拓撲結構，這樣就會造成模塊內部用于過大電流的鋁線有幾十甚至上百根，同時為了保證半導體芯片表面的電流均衡和開啟一致性，半導體芯片表面的鍵合點必須均勻的分布于半導體芯片表面，所以在大功率模塊封裝鍵合鋁線時多采用跳線的方式，這樣一根鋁線又會有多個鍵合點，過多的鋁線以及更多的鍵合點會使可靠性降低。
[0003]此外，過多鋁線連接，會導致鋁線之間的電流不均勻，而電流不均容易導致電路結構的局部過熱，嚴重時會造成半導體芯片以及鋁線的燒熔。同時，在鋁線內通過大電流會產生較高的電磁場，由于各鋁線之間的間隔小，由所述的高電磁場引起的強機械力在鋁線之間產生，從而影響鋁線焊接處的可靠性，造成鍵合點薄弱。
[0004]多根鋁線之間還會產生自感和互感，這種寄生電感會增加瞬間電壓Vovershoot，當瞬間電壓Vovershoot與電源電壓VDD之和大于功率模塊能承受之電壓時，會造成功率模塊過電壓擊穿而失效。同時，每個鍵合點都是模塊封裝中的薄弱環節，只要一個鍵合點出現彈坑問題即會導致整個模塊失效，或者其中某個鍵合點虛焊也會導致半導體芯片表面的電流和溫度分布不均，進而影響到模塊的可靠性。
[0005]基于此，人們開發了鋁帶鍵合，鋁帶鍵合是將半導體芯片的源極通過鋁帶和覆銅陶瓷基板表面銅層連接，這樣雖然能提高過電流能力，同時提高了設備的UPH(Units PerHour，每小時的產量)，但是其設備改造費用昂貴，并且鋁帶的折角范圍小會限制到半導體芯片和模塊的整體布局，同時對回流后的半導體芯片平整度提出了更高的要求。
[0006]為了提高鍵合點可靠性，又開發了銅引線鍵合技術、鋁包銅線鍵合技術，但是引線鍵合工藝無法避免的一個共同缺點是多根引線并聯會產生鄰近效應，導致鍵合線之間電流分布不均；引線鍵合工藝帶來的寄生電感比較大，會給器件帶來較高的開關過電壓。
[0007]另外，公開號為CN103367305A的文件公開了一種利用導電薄膜并通過銀燒結與半導體芯片連接來代替鋁線鍵合，以提高過電流能力，降低寄生電感為目的功率模塊。但是這種設計方案的缺點是，導電薄膜在操作過程之中容易損壞，并且難以修復。公開號為CN101946318的文件揭示的封裝采用兩層覆銅陶瓷基板并通過室溫結合法分別連接半導體芯片的正反面，以提高電、熱連接性能，但是元件的結合面需要采用CMP(化學或機械拋光)工藝進行打磨和平整化處理，增加了工藝步驟和成本，而且存在結構復雜的問題。
【發明內容】
[0008]本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種功率模塊，其結構緊湊，工藝簡單，能降低寄生電感，增強過電流能力，降低了熱阻，提高可靠性。
[0009]按照本實用新型提供的技術方案，所述功率模塊，包括封裝支撐基板以及位于所述封裝支撐基板上的功率半導體芯片組，所述功率半導體芯片組具有一個或多個功率半導體芯片，功率半導體芯片組具有三個連接電極，所述三個連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極;封裝支撐基板上設有設置用于與第一電極電連接的第一連接層、用于與第二電極電連接的第二連接層以及用于與第三電極電連接的第三連接層;功率半導體芯片組的第二電極通過功率金屬連接片與第二連接層電連接，且功率金屬連接片上設置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結構。
[0010]所述功率半導體芯片組固定于第三連接層上，且功率半導體芯片組的第三電極與第三連接層直接接觸后電連接，功率半導體芯片組的第一電極通過信號金屬連接體與第一連接層電連接，所述信號金屬連接體呈線狀或片狀。
[0011 ]所述連接躲避結構包括用于躲避柵極總線的躲避凹槽，所述躲避凹槽位于功率金屬連接片鄰近功率半導體芯片組的一側。
[0012]所述連接躲避結構包括通過躲避凸起形成的躲避弧槽，所述躲避凸起在功率金屬連接片的高度為功率金屬連接片厚度的10%?90%。
[0013]所述功率金屬連接片的端部設有用于形成高度差的連接過渡體。
[0014]所述功率金屬連接片通過過渡金屬片與功率半導體芯片組的第二電極電連接。
[0015]封裝支撐基板為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板。
[0016]所述功率半導體芯片組的正面具有可釬焊或銀燒結的正面金屬化層。
[0017]本實用新型的優點:通過功率金屬連接片和/或過渡金屬片將功率半導體芯片組的第二電極與第二連接層電連接，功率金屬連接片上設置躲避結構，避免與半導體芯片的柵極總線接觸，功率金屬連接片、過渡金屬片能夠降低寄生電感，增強過電流能力，降低了熱阻，提高了使用的可靠性，結構緊湊，工藝簡單，適應范圍廣。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的一種結構不意圖。
[0019]圖2為本實用新型的另一種結構不意圖。
[0020]圖3為本實用新型功率金屬連接片的一種示意圖。
[0021 ]圖4為本實用新型功率金屬連接片的另一種示意圖。
[0022]附圖標記說明:1_封裝支撐基板、2-功率半導體芯片組、3-功率金屬連接片、4-信號金屬連接體、5-過渡金屬片、6-躲避凸起、7-躲避弧槽、8-連接過渡體、9-躲避凹槽、10-臺階連接端、11 -第二連接層、12-第一連接層以及13-第三連接層。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0024]如圖1所示:為了增強過電流能力，降低熱阻，提高可靠性，本實用新型包括封裝支撐基板I以及位于所述封裝支撐基板I上的功率半導體芯片組2，所述功率半導體芯片組2具有一個或多個功率半導體芯片，功率半導體芯片組2具有三個連接電極，所述三個連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極;封裝支撐基板I上設有設置用于與第一電極電連接的第一連接層12、用于與第二電極電連接的第二連接層11以及用于與第三電極電連接的第三連接層13;功率半導體芯片組2的第二電極通過功率金屬連接片3與第二連接層11電連接，且功率金屬連接片3上設置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結構。
[0025]具體地，封裝支撐基板I為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板，第二連接層11、第一連接層12以及第三連接層13同在封裝支撐基板I的同一側表面，第二連接層11、第一連接層12以及第三連接層13間相互絕緣隔離，封裝支撐基板I以及封裝支撐基板I上第二連接層11、第一連接層12、第三連接層13的具體結構以及分布均為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。
[0026]當功率半導體芯片組2內的功率半導體芯片為MOSFET時，所述功率半導體芯片組2的第一電極為MOSFET的柵極，第二電極為MOSFET的源極，第三電極為MOSFET的漏極。
[0027]當功率半導體芯片組2內的功率半導體芯片為IGBT時，所述功率半導體芯片組2的第一電極為IGBT的門極，第二電極為IGBT的發射極，第三電極為IGBT的集電極。
[0028]所述功率半導體芯片組2與封裝支撐基板I上各電極連接層的電路拓撲結構可以根據需要進行確定，具體為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。功率金屬連接片3呈一體的片狀結構，功率金屬連接片3的一端與功率半導體芯片組2的第二電極固定連接，功率金屬連接片3的另一端與第二連接層11焊接固定。本實用新型實施例中，通過一個片狀的功率金屬連接片3能夠滿足過流能力，且能避免現有多根并聯鋁線帶來的寄生電感等問題。
[0029]所述功率半導體芯片組2直接固定于第三連接層13上，且功率半導體芯片組2的第三電極與第三連接層13電連接，功率半導體芯片組2的第一電極通過信號金屬連接體4與信號端連接層12電連接，所述信號金屬連接體4呈線狀或片狀。
[0030]本實用新型實施例中，功率半導體芯片組2位于第三連接層13上，功率半導體芯片組2的背面通過焊料焊接在第三連接層13上，從而實現功率半導體芯片組2的第三電極與第三連接層13間連接，即能實現功率半導體芯片組2的第三電極與第三連接層13之間的電連接。具體實施時，功率金屬連接片3的一端通過焊料與功率半導體芯片組2的第二電極焊接固定，功率金屬連接片3的另一端通過焊料與第二連接層11焊接固定。信號金屬連接體4呈線狀或片狀，當信號金屬連接體4采用線狀結構時，與現有方式相同，當信號金屬連接體4采用片狀時，能進一步提高功率半導體芯片組2的第一電極與第一連接層12的可靠性。信號金屬連接體4的兩端分別與功率半導體芯片組2的第一電極、第一連接層12焊接固定，上述焊料通常是焊膏或預成型焊片采用真空回流焊工藝，具體過程為本技術領域人員所熟知，此處不再詳述。
[0031]為了避免功率半導體芯片組2正面的柵極總線與功率金屬連接片3的接觸，根據功率半導體芯片組2正面柵極總線的分布，在功率金屬連接片3上設置連接躲避結構。
[0032]如圖3所示，為功率金屬連接片3的一種具體形式，在功率金屬連接片3上具有兩個躲避凸起6，所述躲避凸起6的方向為遠離功率半導體芯片組2正面的方向，躲避凸起6呈拱形，從而在躲避凸起6的下方形成躲避弧槽7，所述躲避凸起6在功率金屬連接片3的高度為功率金屬連接片3厚度的10%?90%。圖3中示出了具有兩個躲避弧槽7的狀態，通過躲避弧槽7能避免功率金屬連接片3與柵極總線的接觸。
[0033]圖4為功率金屬連接片3的另一種形式，功率金屬連接片3鄰近功率半導體芯片組2正面的一側設置躲避凹槽9，所述躲避凹槽9沿功率金屬連接片3的寬度分布，功率金屬連接片3上躲避凹槽9的位置以及數量與功率半導體芯片組2上柵極總線的分布相關，以能避免功率金屬連接片3與柵極總線接觸即可。
[0034]具體實施時，由于功率金屬連接片3的一端與功率半導體芯片組2的第二電極焊接固定，另一端直接與第二連接層11焊接，造成功率金屬連接片3兩端的焊接面高度不在同一水平面，為了保證焊接面充分接觸，在功率金屬連接片3的一端設置連接過渡體8，通過連接過渡體8能在功率金屬連接體3的端部形成臺階連接端1，即通過臺階連接端10形成的高度差補償焊接面高度不一致。此外，為了便于釬焊或銀燒結，在功率半導體芯片組2正面具有正面金屬化層，所述正面金屬化層采用可釬焊或銀燒結的材料，如TiNiAg，具體的材料以及過程為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。功率金屬連接片3需要流過大電流，因此，功率金屬連接片3需要選用具有良好導電性和導熱性能的材料，如銅等，功率金屬連接片3的表面可鍍鎳、銀、金或錫層，功率金屬連接片3的寬度以及厚度等均具體根據需要進行確定，為本技術領域人員所熟知，此處不再贅述。
[0035]如圖2所示，所述功率金屬連接片3通過過渡金屬片5與功率半導體芯片組2的第二電極電連接。
[0036]具體實施時，功率金屬連接片3選用銅時，銅的熱膨脹系數(17ppm/K)，與半導體芯片材料(例如硅或者碳化硅)兩者之間熱膨脹系數的巨大差異，會引起功率半導體芯片組2與功率金屬連接片3之間的焊料層承受較大的熱應力，焊料層容易產生疲勞裂紋，影響模塊使用壽命，對于功率等級較大或半導體芯片尺寸較大的模塊，這種現象會表現的更加明顯。為提高這類模塊的抗疲勞性能，可以采用在功率半導體芯片組2的第二電極和功率金屬連接片3的之間加上一層過渡金屬片5的方式，過渡金屬片5可選用鉬、銅鉬、銅鎢合金，表面鍍鎳、鎳銀等可釬焊材料。鉬、銅鉬、銅鎢等金屬或合金的熱膨脹系數(5-8ppm/K)，可以減小焊料層熱應力以提高模塊抗疲勞強度，增強可靠性。
[0037]本實用新型實施例中，焊接過渡金屬片5和功率金屬連接片3時，可以先將過渡金屬片5背面焊接到功率半導體芯片組2的第二電極上，再在過渡金屬片5正面焊接功率金屬連接片3，即功率金屬連接片3通過過渡金屬片5與功率半導體芯片組2的第二電極電連接。此外，也可以先將過渡金屬片5和功率金屬連接片3預先焊接成一個整體，而后整體焊接到功率半導體芯片組2的第二電極上。具體實施時，功率金屬連接片3上也具有躲避結構，所述躲避結構的具體形式可參考上述的說明，此處不再贅述。
[0038]與用多根金屬引線并聯的方式相比，引線與功率半導體芯片組2的接觸面積僅占功率半導體芯片組2表面積的20%左右，而用過渡金屬片5和功率金屬連接片3焊接或直接用功率金屬連接片3的連接方式，與功率半導體芯片組2表面的接觸面積卻可以達到50%以上，降低了接觸電阻、熱阻和寄生電感，提高了模塊過電流能力，增強了模塊的可靠性。
[0039]本實用新型已經圖解并描述了本實用新型的特定實施例，但本實用新型要求保護的權利范圍并不限于此，利用了本實用新型的基本概念，所屬技術領域的技術人員進行的各種變形以及改善，仍屬于本實用新型請求的權利范圍。
【主權項】
1.一種功率模塊，包括封裝支撐基板(I)以及位于所述封裝支撐基板(I)上的功率半導體芯片組(2)，所述功率半導體芯片組(2)具有一個或多個功率半導體芯片，功率半導體芯片組(2)具有三個連接電極，所述三個連接電極分別為第一電極、第二電極以及第三電極；封裝支撐基板(I)上設有設置用于與第一電極電連接的第一連接層(12)、用于與第二電極電連接的第二連接層(11)以及用于與第三電極電連接的第三連接層(13);其特征是:功率半導體芯片組(2)的第二電極通過功率金屬連接片(3)與第二連接層(11)電連接，且功率金屬連接片(3)上設置便于焊接以及避開障礙物的連接躲避結構。2.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率半導體芯片組(2)固定于第三連接層(13 )上，且功率半導體芯片組(2 )的第三電極與第三連接層(13 )直接接觸后電連接，功率半導體芯片組(2)的第一電極通過信號金屬連接體(4)與第一連接層(12)電連接，所述信號金屬連接體(4)呈線狀或片狀。3.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述連接躲避結構包括用于躲避柵極總線的躲避凹槽(9)，所述躲避凹槽(9)位于功率金屬連接片(3)鄰近功率半導體芯片組(2)的一側。4.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述連接躲避結構包括通過躲避凸起(6)形成的躲避弧槽(7)，所述躲避凸起(6)在功率金屬連接片(3)的高度為功率金屬連接片(3)厚度的10%?90%。5.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率金屬連接片(3)的端部設有用于形成高度差的連接過渡體(8)。6.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率金屬連接片(3)通過過渡金屬片(5)與功率半導體芯片組(2)的第二電極電連接。7.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:封裝支撐基板(I)為覆銅陶瓷基板或絕緣金屬基板。8.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征是:所述功率半導體芯片組(2)的正面具有可釬焊或銀燒結的正面金屬化層。
【文檔編號】H01L23/492GK205542761SQ201620306528
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】朱袁正, 余傳武
【申請人】無錫新潔能股份有限公司