一种大电流功率半导体器件的封装结构的制作方法

本实用新型涉及半导体器件封装结构，尤其是一种大电流功率半导体器件封装结构，属于半导体器件的制造技术领域。

背景技术：

功率半导体器件主要用于各种设备的电源和驱动负载，一般电力电子系统既需要电源为其提供能量，也需要推动负载( 电机，继电器等) 执行处理结果,所以，功率半导体器件对电力电子系统都是必不可少的，功率半导体器件的应用也遍及于各行各业，随着功率半导体器件的更新换代，除特大功率应用领域仍由晶闸管等统治之外，以MOSFET（金属氧化物场效应管）、IGBT(绝缘删双极型晶体管) 为代表的功率器件已经占据了主导地位。

MOSFET和IGBT这两类器件都为电压驱动型的三端器件，其中MOSFET包括栅极、源极和漏极，其中栅极与源极通常位于芯片的正面，漏极通常位于芯片的背面；IGBT包括栅极、发射极和集电极，其中栅极与发射极通常位于芯片的正面，集电极通常位于芯片的背面。

不论是IGBT器件还是MOSFET器件，目前基本仍沿用着现有传统的封装架构，如图1所示的D2PAK（TO-263）传统封装结构，MOSFET或IGBT的漏极（或集电极）通过软焊料焊接在引线框架的基岛上，MOSFET或IGBT的栅极通过5mil的铝线和引线框架的第一管脚相连，MOSFET或IGBT的源极（或发射极）通过3根20mil或4根15mil的铝线和引线框架的第三管脚相连接,且以第二管脚为轴，第一管脚和第三管脚左右近似对称，由于现有传统结构的引线框的三个管脚的宽度和厚度都是一样的，也就是说第一管脚和第三管脚的过电流能力是相同的，而针对IGBT或MOSFET这样的三端有源器件，其与栅极相连的第一管脚是不需要太大电流，与源极（发射极）相连的第三管脚，不光在应用过程中要流过较大的电流，而且也需要这个管脚所产生的寄生参数如Rdson要尽量的小，这样才能满足电力电子系统对大功率，低能耗，高功率密度的要求。显然现有的传统封装结构将两个管脚设置成相同的过流能力是不太合理。可见现有的传统封装结构，如TO-220、TO-247、TO-3P、TO-252（DPAK）、TO-263（D2PAK）、D3PAK等，都是上世纪的产物，而功率半导体芯片如IGBT和MOSFET在这些年取得了长足的进步，其对电流能力的要求一直在持续增加，经过几十年的市场应用，目前，传统封装结构已在大功率半导体器件封装中显示了其电流能力不足的局限性，因此，第三管脚的焊接区面积和第三管脚的引脚宽度一同制约着传统功率器件的过电流能力，所以当芯片允许流过的最大电流大于源极或发射极金属线允许流过的最大电流（120A）时，封装就成为限制产品性能发挥和提升的瓶颈。

如上所述，大功率半导体器件特别是用背面散热片导电的直插式或表面贴装式器件的电流能力主要由第三管脚的过电流能力决定的，第三管脚的过电流能力由管脚的宽度和芯片与第三管脚焊接面积决定的，现有传统封装结构的电流能力主要受限于第三管脚引脚宽度，同时焊接区键合的金属引线数量、线径也会造成电流能力受限。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了增加大功率半导体器件封装结构的电流能力，提供一种大电流功率半导体器件的封装结构，该结构通过增加引线框架的第三管脚的宽度，结合芯片实际电流能力适当增大第三管脚顶端第二焊接区的面积，使第二焊接区能焊接更多的金属线，或者使用金属片替代金属线，以此来提升的功率封装器件的过电流能力，同时降低封装器件的导通电阻，最大限度的体现芯片的实际电流能力。

为实现以上技术目的，本实用新型的技术方案是：一种大电流功率半导体器件的封装结构，包括环氧树脂封装体、引线框架、半导体芯片和引线，所述引线框架包括环氧树脂封装体外的散热区、环氧树脂封装体内的装片基岛和引脚区，所述散热区与装片基岛连接，所述引脚区包含第一管脚、第二管脚和第三管脚，所述第二管脚位于第一管脚和第三管脚之间，所述第一管脚顶端设有第一焊接区，所述第二管脚与装片基岛连接，所述第三管脚顶端设有第二焊接区，且第三管脚的管脚宽度大于第一管脚和第二管脚的管脚宽度；所述半导体芯片的正面设有第一极和第二极，背面设有第三极，所述半导体芯片背面的第三极焊接在引线框架的装片基岛上，所述第一极通过引线焊接在第一管脚的第一焊接区上，所述第二极通过引线焊接在第三管脚的第二焊接区上，所述第二管脚通过引线框架的装片基岛与半导体芯片背面的第三极连接；所述环氧树脂封装体内封装有半导体芯片、引线、装片基岛、第一焊接区、第二焊接区和第三管脚的顶端。

进一步地，所述第三管脚顶部的第二焊接区向第二管脚方向横向延伸，所述第二管脚顶部与引线框架的装片基岛连接区域向第一管脚顶部的第一焊接区方向扭转，第二焊接区面积大于第一焊接区面积。

进一步地，所述引线为金属线或金属片，所述金属线为铜线、金线、铝线或合金线，所述金属片为铝带、铜带、铝镁合金带或镀锡铜带。

进一步地，所述的半导体芯片为IGBT或MOSFET，所述IGBT的第一极为栅极，第二极为发射极，第三极为集电极，所述MOSFET的第一极为栅极，第二极为源极，第三极为漏极。

进一步地，所述焊接的方式为热超声压焊、超声冷楔焊、银烧结或软钎焊。

进一步地，所述半导体芯片的封装形式为TO-263(D2PAK)、TO-220、TO-247、TO-3P、TO-252（DPAK）、TO-262或TO-268(D3PAK)，所述封装形式的第二管脚的管脚根据工艺和应用的要求可部分切除。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1. 通过增大第三管脚顶端第二焊接区的面积，使能焊接更多更粗的金属线或金属片，同时增加引线框架第三管脚的宽度，显著提升了大功率半导体器件的过电流能力。

2. 通过增大第三管脚顶端第二焊接区的面积，使能焊接更多更粗的金属线或金属片，同时增加引线框架第三管脚的宽度，减少了器件的因封装原因而带来的额外的寄生电阻（即减小了Rdson），明显改善了功率半导体器件在大电流应用下因封装而导致的发热和可靠性问题。

3. 通过对现有传统封装结构的改善，带来的额外好处是，封装厂不需要额外添置设备，只需要对现有的设备进行升级改造既能满足加工要求，体现了该封装结构的便捷性，降低了制造成本，加快了产品上市时间。

附图说明

图1为现有传统D2PAK（TO-263）封装IGBT或MOSFET示意图。

图2为本实用新型的D2PAK（TO-263）封装IGBT或MOSFET示意图。

图3为本实用新型的D2PAK（TO-263）封装无环氧树脂封装体的结构示意图。

图4为本实用新型的D2PAK（TO-263）封装有环氧树脂封装体的结构示意图。

图5为本实用新型的TO-220封装无环氧树脂封装体的结构示意图。

图6为本实用新型的TO-220封装有环氧树脂封装体的结构示意图。

附图说明：1-封装体、2-引线框架、3-半导体芯片、4-引线、5-第一极、6-第二极、7-框架区、8-装片基岛、9-引脚区、10-第三极、91-第一管脚、92-第二管脚、93-第三管脚、911-第一焊接区、931-第二焊接区。

具体实施方式

下面结合具体附图和两个实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1为封装形式为TO-263，根据附图2、3和4所示，本实用新型所提出的一种大电流功率半导体器件的封装结构，包括环氧树脂封装体1、引线框架2、半导体芯片3和引线4，所述引线框架2包括环氧树脂封装体1外的散热区7、环氧树脂封装体1内的装片基岛8和引脚区9，所述散热区7与装片基岛8连接，所述引脚区9包含第一管脚91、第二管脚92和第三管脚93，所述第二管脚92位于第一管脚91和第三管脚93之间，所述第一管脚91顶端设有第一焊接区911，所述第二管脚92与装片基岛8连接，所述第三管脚93顶端设有第二焊接区931，且第二焊接区931面积大于第一焊接区911面积，第三管脚93的管脚宽度大于第一管脚91和第二管脚92的管脚宽度；所述半导体芯片3的正面设有第一极5和第二极6，背面设有第三极10，所述半导体芯片3背面的第三极10焊接在引线框架2的装片基岛8上，所述第一极5通过引线4焊接在第一管脚91的第一焊接区911上，所述第二极6通过引线4焊接在第三管脚93的第二焊接区931上，所述第二管脚92通过引线框架2的装片基岛8与半导体芯片3背面的第三极10连接；所述环氧树脂封装体1内封装有半导体芯片3、引线4、装片基岛8、第一焊接区911、第二焊接区931和第三管脚93的顶端。所述第三管脚93顶部的第二焊接区931向第二管脚92方向横向延伸，所述第二管脚92顶部与引线框架2的装片基岛8连接区域向第一管脚91顶部的第一焊接区911方向扭转。所述的半导体芯片3为IGBT或MOSFET，所述IGBT的第一极5为栅极，第二极6为发射极，第三极10为集电极，所述MOSFET的第一极5为栅极，第二极6为源极，第三极10为漏极。所述引线4为金属线或金属片，所述金属线为铜线、金线、铝线或合金线，所述金属片为铝带、铜带、铝镁合金带、镀锡铜带、裸铜片、镀锡铜片或镀紫铜片。所述焊接的方式为热超声压焊、超声冷楔焊、银烧结或软钎焊。TO-263封装形式的第二管脚92的管脚根据工艺和应用的要求可部分切除。

以TO-263封装形式为例，引线框架2的第三管脚93加宽，宽度是传统封装结构（按JEDEC标准设计）的1.3~2.0倍，若由原来的传统封装的1.27mm增加到2.5mm左右，使得引线框的第三管脚的电流能力提升了约95%，封装的RDSON减少约0.15mR。以焊接铝线为例，为了实现第三管脚93顶端的第二焊接区931能焊接更多的铝线，将引线框架2的第三管脚93顶端的第二焊接区931向第二管脚92方向进行横向延伸，第二管脚92为适应第三管脚93的延伸而保持安全的电气间隔而向第一管脚91顶端的第一焊接区911方向扭转。若第三管脚93顶端第二焊接区931的长度由传统的3.2mm增加到4.5mm，以前只能打4根15mil或3根20mil的铝线，现采用该设计后可以打4根20mil的铝线，使得电流能力增提升了33%以上。

实施例2为封装形式为TO-220，根据附图5和图6所示，本实用新型所提出的一种大电流功率半导体器件的封装结构，包括环氧树脂封装体1、引线框架2、半导体芯片3和引线4，所述引线框架2包括环氧树脂封装体1外的散热区7、环氧树脂封装体1内的装片基岛8和引脚区9，所述散热区7与装片基岛8连接，所述引脚区9包含第一管脚91、第二管脚92和第三管脚93，所述第二管脚92位于第一管脚91和第三管脚93之间，所述第一管脚91顶端设有第一焊接区911，所述第二管脚92与装片基岛8连接，所述第三管脚93顶端设有第二焊接区931，第三管脚93的管脚宽度大于第一管脚91和第二管脚92的管脚宽度；所述半导体芯片3的正面设有第一极5和第二极6，背面设有第三极10，所述半导体芯片3背面的第三极10焊接在引线框架2的装片基岛8上，所述第一极5通过引线4焊接在第一管脚91的第一焊接区911上，所述第二极6通过引线4焊接在第三管脚93的第二焊接区931上，所述第二管脚92通过引线框架2的装片基岛8与半导体芯片3背面的第三极10连接；所述环氧树脂封装体1内封装有半导体芯片3、引线4、装片基岛8、第一焊接区911、第二焊接区931和第三管脚93的顶端。所述的半导体芯片3为IGBT或MOSFET，所述IGBT的第一极5为栅极，第二极6为发射极，第三极10为集电极，所述MOSFET的第一极5为栅极，第二极6为源极，第三极10为漏极。所述引线4为金属线或金属片，所述金属线为铜线、金线、铝线或合金线，所述金属片为铝带、铜带、铝镁合金带、镀锡铜带、裸铜片、镀锡铜片或镀紫铜片。所述焊接的方式为热超声压焊、超声冷楔焊、银烧结或软钎焊。

以TO-220封装形式为例，引线框架2的第三管脚93加宽，由原来的传统封装的1.25mm增加到2.15mm左右，使得引线框的第三管脚的电流能力提升了 72%，封装的RDSON减少了约0.10mR。为了实现第三管脚93和半导体芯片3间更大的电流能力，在半导体芯片3的源极6和引线框架2第三管脚93间，通过高铅焊料焊接一金属片，焊接相同长度的金属片比金属线的导电性更好，金属片的一端通过焊料与半导体芯片3的源极6焊接固定，金属片的另一端通过焊料与引线框架2第三管脚93的第二焊接区931焊接固定。金属片需要选用具有良好导电性和导热性能的材料，如铜片等，金属片的表面可以是裸铜，可以镀镍、银、金或锡层，金属片的宽度、厚度和形状均具体根据实际需要进行确定。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。