用于半导体器件的封装件的制作方法
【专利摘要】一种用于半导体器件或电路的封装件，所述封装件包括具有金属垫和位于外侧的金属基部的半导体开关模块。密封式金属外壳保持半导体开关模块。金属外壳具有一组电介质区域，该组电介质区域具有与金属外壳电绝缘或电隔离的嵌入式或穿过式电端子。电端子电连接到金属垫。壳体被用于将半导体开关模块容纳在密封式金属外壳中。所述壳体包括用于保持或循环冷却剂并叠置在金属基部上的腔。
【专利说明】
用于半导体器件的封装件
技术领域
[0001]本公开内容涉及用于诸如半导体开关模块的半导体器件的封装件。【背景技术】
[0002]对于一些半导体器件，某些现有技术的半导体封装件可获得以用于经由热界面材料焊接至冷板或连接至冷板。如果使用热界面材料而非直接金属结合或焊接连接，则包括半导体封装件和冷板的系统热阻倾向于增加;因此，半导体器件的散热功能可能退化。 [〇〇〇3]为减少或最小化热阻，其它现有技术的半导体器件支持经由被垫片或密封件限定的冷却剂空间将冷却剂直接地施加至半导体封装件。然而，如果密封件或垫片泄露，则与半导体器件相关联的电子组件或半导体器件可能由于冷却剂进入正在工作的电子电路和器件中而易受灾难性失效伤害，如与水或湿气相关联的短路的。因此，需要一种用于半导体器件的封装件，所述封装件便于使用冷却剂，而不需要易受冷却剂泄露或冷却剂进入半导体器件中的损坏的垫片或密封件。
【发明内容】
[0004]根据一个实施例，用于半导体器件或电路的封装件包括具有金属垫片和位于外侧的金属基部的半导体开关模块。金属外壳被布置成用于容纳半导体开关模块。金属外壳具有凹部，该凹部的尺寸和形状形成为用于容纳半导体开关模块。金属外壳具有一组电介质区域，以用于与金属外壳电绝缘或电隔离的嵌入式或穿过式电端子。电端子电连接到金属垫。金属桥接件填充和液压地密封(例如，或气密闭地密封)金属基部和金属外壳之间的周边空隙。【附图说明】
[0005]图1是用于半导体器件或电路的封装件的分解透视图的一个实施例。
[0006]图2是半导体器件或电路的封装件的与图1 一致的透视图，其中盖被移除以暴露出用于冷却剂的腔。
[0007]图3是图1的半导体器件或电路的封装件的透视图，其中盖和中心构件(例如，歧管)被切掉以更好显示半导体开关模块。
[0008]图4是图1的半导体器件或电路的封装件的透视图，其中封装件被装配。
[0009]图5是沿着图4的参考线5-5所观察到的图4的半导体器件或电路的封装件的剖视图。[〇〇1〇]图6是与封装件的其余部分分离地示出的中心构件(例如，歧管)和半导体开关模块的剖视图。
[0011]图7示出图6的中心构件(例如，歧管)和半导体开关模块的下部的分解图。
[0012]任何一组或子组附图中的类似附图标记表示类似的元件或特征。【具体实施方式】
[0013]根据一个实施例，图1至图5—起图示用于半导体器件或电路的封装件11。封装件 11包括半导体开关模块12,半导体开关模块12包括半导体管芯17或半导体器件封装件。半导体开关模块12或半导体管芯17具有位于外侧的金属基部10。半导体管芯17在半导体开关模块12中可以具有金属垫(图5中为57)。金属外壳(图5中为61)被布置成用于容纳半导体管芯17以形成半导体开关模块12。金属外壳61具有凹部67,凹部67的尺寸和形状形成为用于容纳半导体管芯17以形成半导体开关模块12。金属外壳61具有一组电介质区域65,该组电介质区域65具有与金属外壳61电绝缘或电隔离的嵌入式或穿过式电端子50。电端子50 (在图5中)电连接到金属垫57。金属桥接件14填充并且液压地(例如，或气密地)密封金属基部 10和金属外壳61之间的周边空隙。
[0014]在一个实施例中，密封式金属外壳53由金属外壳61、金属桥接件14、金属基部10 (或其中一者或多者的等同物)的组合共同地限定。例如，密封式金属外壳53包括基部63、顶部14和金属基部10,基部63具有从基部63向上延伸的侧壁69,顶部14被气密地连接至或液压地密封至侧壁69。密封式金属外壳53可以被气密地密封、液压地密封或气密地和液压地密封，以抵抗或防止流体、液体或冷却剂在与腔43相关联的操作压力下进入。[〇〇15]密封式金属外壳53保持半导体开关模块12。金属外壳53具有一组电介质区域65， 该组电介质区域65具有与密封式金属外壳53电绝缘或电隔离的嵌入式或穿过式电端子50。 电端子50电连接到金属垫57。壳体20 (例如，下壳体)适于容纳密封式金属外壳53中的半导体开关模块12。壳体20包括用于保持或循环冷却剂并叠置在金属基部10上的腔43。
[0016]半导体开关模块12可以包括位于半导体管芯17上的一个或多个半导体开关或制作的电路。在一个示例中，半导体开关模块12可以包括用于逆变器的一个相的功率开关，以用于在运行模式中、在发电模式中、或在运行模式和发电模式中控制电动马达或电机。进一步地，半导体开关模块12可以包括高压侧半导体开关和低压侧半导体开关，所述高压侧半导体开关和低压侧半导体开关具有可用于连接到直流电源或总线的开关端子。半导体开关可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶体管、场效应晶体管(FET)或其它的半导体器件。 IGBT的开关端子包括集电极和发射极，并且控制端子包括栅极;一些晶体管的控制端子可以称为基极。类似地，场效应晶体管的开关端子包括源极和漏极，并且控制端子包括栅极。
[0017]在一个实施例中，基部沟槽或通道151 (例如，微沟槽)被刻蚀或形成在半导体开关模块12的金属基部10中或上或形成在下方的半导体管芯17中或上。例如，基部沟槽151或通道是大致平行的，如图5所示。在某些构造中，可以称为微通道的基部沟槽151的尺寸(例如， 深度、宽度、径向深度或最大尺寸)足够小，并且允许金属基部10被冷却剂或液体直接地冷却，或经由导热膏或散热膏(例如，高导热膏)或适当的热界面材料被安装在冷板或散热器上。
[0018]金属基部10包括诸如标准半导体开关封装件的半导体封装件11的焊盘或焊垫(例如，中心焊盘)。在某些构造中，金属基部10可以由铜或铜合金构成，但是任何其它适当的金属或合金可以被使用。
[0019]如果铜或铜合金用于金属基部10,即使金属容器61由铝或铝合金组成，则铜或铜合金也可以被粘接、恪合、烧结、铜焊或焊接至金属容器61或壳。
[0020]在一个实施例中，金属垫57位于与半导体开关模块12的外侧相反的内侧。然而，在可替换的实施例中，金属垫57可以被定位在半导体开关模块12的侧面上或其他位置。金属垫57提供至半导体开关模块12的直流端子、开关端子或控制端子的连接。
[0021]在可替换的实施例中，金属垫57可以被至半导体器件、半导体管芯17的区域或端子的焊线替代。
[0022]在一个构造中，金属外壳61包括壳(shell)(例如，预制壳或预成型壳)。例如，金属外壳61包括具有基部63，侧壁69从基部63向上延伸。金属桥接件14填充和密封(例如，液压地密封、气密地密封、或液压地密封和气密地密封)金属基部10和侧壁69的顶部之间的周边空隙，防止冷却剂或液体进入密封式外壳53的内部中，其中半导体开关模块12位于密封式外壳53的内部。例如，金属桥接件14或桥接材料可以被粘接、熔合、烧结、铜焊、软钎焊或焊接在侧壁69的顶部和金属基部10之间。金属桥接件14包括通过以下工艺形成的金属环、金属回路或大致直线状的金属材料轮廓，所述工艺为超声波增材制造工艺、直接金属激光烧结工艺、选择性激光熔化、电子束熔化或其他增材金属制造工艺。
[0023]类似地，取代在金属基部10中化学蚀刻基部沟槽151或通道，可以通过经由超声波增材制造工艺、直接金属激光烧结工艺、选择性激光熔化或其他增材金属制造工艺向金属基部10添加鳍状部(fins)或脊状突起而形成基部沟槽151或通道。通常，与传统的机加工工艺相比，针对增材金属制造工艺，金属基部10的厚度可以被制作得较薄。
[0024]超声波增材制造工艺涉及通过将连续的金属或合金(例如，铝、铜、镍、钢或其它金属或合金)层超声波焊接或熔合成目标尺寸和形状而产生固体金属物体。例如，超声波增材制造工艺可以使用超声波振动以粘接一个或多个金属层(例如，金属带)，以在金属基部10和侧壁69的顶部之间形成金属桥接件14。
[0025]直接金属激光烧结工艺涉及以下制造工艺，所述制造工艺通过将激光引导至空间点以使用激光来烧结粉状金属材料，以将材料结合到一起从而根据三维模型产生固体结构。例如，三维模型可以与金属基部1和侧壁69的顶部之间的金属桥接件14的形式一致。
[0026]选择性激光熔化工艺类似于直接金属激光烧结工艺。然而，在选择性激光熔化工艺中，材料被完全地熔化或熔合。
[0027]在某些构造中，金属外壳61由铝、铝合金、铜、铜合金、金属或合金、或多个不同层的金属或合金构成。金属外壳的金属或合金被选择成能够与至半导体器件的金属基部10的结合兼容。例如，金属基部10可以由铜、铜合金、招、招合金或金属构成。
[0028]下壳体20具有中心开口22(在图1中)，以用于接收包括半导体开关模块12、金属外壳61和金属桥接件14的组件。下壳体20包括与第一端口 30连通的第一周边通道24、与第二端口 28连通的第二周边通道26、和用于覆盖第一周边通道24和第二周边通道26的一组通道帽(32、34)。
[0029]下壳体20可以由铝、合金或金属构成，并且可以被选择成具有与半导体开关模块12的热膨胀系数匹配或类似的热膨胀系数。
[0030]在可替换的实施例中，下壳体20可以由塑料、聚合物、复合物、纤维填充聚合物、纤维填充塑料、或由树脂、聚合物或塑料基质结合的填充物构成。
[0031]该组通道帽(32、34)包括沿着路径的覆盖部分和从该覆盖部分以一角度延伸的侧壁。在某些构造中，通道帽(32、34)仅位于盖38的外部夹紧区域之下。
[0032] 盖38和密封框架36,密封框架36位于盖38和该组通道帽(32、34)的至少部分之间。 [〇〇33]盖38和密封框架36可以固定至下壳体20。如图所示，盖38经由多个紧固件40被固定至下壳体20构件，但是盖38可以经由紧固件40、黏合剂、扣合连接件或其它适当的连接件附接到该壳体。密封框架36位于盖38和下壳体20的上表面的部分之间。密封框架38可以由塑料、聚合物、复合物、纤维填充聚合物、纤维填充塑料、由树脂、聚合物或塑料基质结合的填充物、弹性体、弹性材料、合成橡胶或天然橡胶构成。[〇〇34]冷却剂腔43被限定在半导体开关模块12(例如，金属基部10)、盖38和密封框架36 之间。冷却剂腔43与第一端口 30和第二端口 28连通。密封框架36包括密封件、垫片或另一密封构件，以用于液压地密封冷却剂腔以防止冷却剂从冷却剂腔43离开至外面。[〇〇35]在某些实施例中，第一端口 30和第二端口 28连接至用于连接至散热器和栗的导管，以用于冷却剂的循环。例如，栗和散热器与导管相连接，其中栗联接到一个端口并且散热器联接到另一个端口。
[0036]在一个实施例中，中心构件16包括歧管，该歧管具有一系列内部通道18或通路以用于循环冷却剂。中心构件16被布置成用于插入腔43中。将在之后于本文中更详细地描述中心构件16和冷却剂流。[〇〇37]密封式金属外壳53非常适合容纳与冷却剂或流体隔离的半导体开关模块12,冷却剂或流体可以直接地用于冷却具有或不具有基部沟槽151的密封式金属外壳53或金属基部 10的外部。在一些实施例中，冷却剂被封闭在腔43中、保持在腔43中或在腔43中循环，使得冷却剂或流体可以与金属基部和基部沟槽151直接接触地循环，以在半导体开关模块12的操作过程中从半导体开关模块12移除热量(例如，在液体边界层处具有较高导热率，以及封装件11的热阻降低)。因此，可能除了与来自密封式金属外壳53的导体或电端子50的引出端的可靠密封(例如，没有密封件、没有垫片或没有密封件和垫片)相关联的密封胶、灌注混合物、弹性体或电介质区域65,密封式金属外壳53不要求任何垫片或密封件来将半导体开关装置12与冷却剂隔离。此外，冷却剂或液体便于改善半导体开关模块12的散热，这对给定的半导体开关模块12来说意味着更高的功率容量，以用于控制在输出轴处具有更大可用转矩的更大的电动装置或机械(例如，电动马达)。
[0038]图2是半导体器件或电路的封装件11的与图1 一致的透视图，其中盖38被移除以暴露出用于冷却剂的腔43。第一周边通道24和第二周边通道26与腔43液压连通。例如，如图所示，第一周边通道24和第二周边通道26中的每个都沿着其长度通向或暴露到腔43以允许流体经由第一端口 30、第二端口 28、或经由第一端口 30和第二端口 28在腔43中循环。第一密封件41密封在半导体开关模块12的外周边或外表面19和下壳体20的上表面51之间。类似地， 第二密封件42密封在半导体模块12的外周边或外表面19和下壳体20的上表面51之间。即使第一密封件41或第二密封件42泄露或失效，冷却剂也不会损坏半导体开关模块12,半导体开关模块12被密封以防止冷却剂或流体在桥接件14处进入。当然，如果冷却剂的失效或泄露减少半导体开关模块12的散热，则半导体开关模块12或开关晶体管的温度监控可以用于关闭或停用一个或多个开关晶体管或半导体开关模块12。
[0039]图3是图1的半导体器件或电路的封装件的透视图，其中盖38和中心构件16被切掉以更好显示半导体开关模块12和腔43。中心构件16包括通道18,其中可以针对相邻的通道 18在交替的方向上在通道18传送冷却剂流。
[0040]图4是图1的半导体器件或电路的封装件11的透视图，其中封装件11被装配或组装。第一端口 30和第二端口 28可以经由导管连接到与栗相连的散热器以在腔43中循环流体。
[0041]图5是沿着图4的参考线5-5所观察到的图4的半导体器件12或电路的封装件11的剖视图。图5示出半导体器件12的横截面，半导体器件12包括金属外壳61，金属外壳61具有基部63和侧壁69，以形成用于接收或容纳半导体管芯17的凹部67。如图所示，半导体管芯17具有导电焊盘，导电焊盘57经由电介质区域65与金属外壳61和其基部63电绝缘或电隔离。在一个实施例中，电介质区域65可以由弹性体、黏合剂、聚合物(例如硅酮)、塑料或灌注混合物构成，以防止流体或冷却剂进入半导体器件12中。导电焊盘57机械地连接到和电连接到端子50以提供到端子50的电连接，端子50例如为半导体开关模块12的一个或多个半导体开关的直流端子、控制端子或开关端子。
[0042]图5图示了桥接件14的横截面，桥接件14将金属基部10的侧面或边缘互连到金属外壳61的边缘或侧壁69。为了清楚起见，桥接件14被示出为具有与金属外壳61相反的交叉影线的金属材料，虽然桥接件14被以下述方式熔合、焊接、铜焊或软钎焊到金属外壳61: SP使存在或可检测到任何接缝，该接缝也阻止流体或冷却剂的液压(例如，或气动)通过或液压进入。进一步地，在某些构造中，桥接件14被以下述方式恪合、焊接、铜焊或软钎焊到金属外壳61:即使存在或可检测到任何接缝，该接缝也阻止气体或空气在半导体开关模块12的内部和外部之间的气动通过、进入或离开。
[0043]图6是与封装件11的其余部分分离地示出的中心构件16(例如，歧管)和半导体开关模块12的剖视图。中心构件16存在于腔43中。如图所示，中心构件16包括具有一系列大致平行主通道(75、76)的歧管。依靠通过导管、管道或管连续地连接在第一端口 30和第二端口28之间的栗和散热器，冷却剂可以在中心构件16中的主通道(75、76)中循环或通过。例如，冷却剂可以通过入口 81 (例如，歧管入口)进入到位于中心构件16的一侧的主通道(75、76)并且在相反侧在主通道(75、76)的出口82(例如，歧管出口)处离开。首先，可以经由第一端口 30和第一周边通道24将冷却剂提供到入口 81。第二，冷却剂在中心构件16中循环。第三，冷却剂可以经由出口 82离开中心构件16，冷却剂在出口 82处流动到第二周边通道26，并且最后离开第二端口 28。
[0044]在可替换的实施例中，将认识到，上述流动方向在第一端口30和第二部分28之间可以反转或反向。流动方向在中心构件16中也可以反转或反向。
[0045]图1的内部通道18已经针对图6和图7被标记为主通道(75、76)，因为主通道(75、76)仅是可以用于实施用于半导体器件的封装件11的内部通道18的说明性示例。例如，在可替换的实施例中，内部通道18可以包括蜿蜒回路、绕行回路、螺旋通路或其它通路，并且该通路或其部分可以通向半导体开关模块12的外表面或沟槽151或与半导体开关模块12的外表面或沟槽151液压连通。
[0046]对于图6和图7的说明性实施例，每个主通道(75、76)都在通道(75、76)的一个端部处具有开口端84并且在通道的相反端部处具有与开口端84相对的终止端80。主通道(75、76)的终止端80引导或迫使冷却剂在半导体开关模块12的基部沟槽151或通道中流动。从与中心构件16的每个其它主通道(75、76)相关联的入口 81开始，冷却剂进入主通道76的每个入口并且在终止端80处被阻挡。
[0047]冷却剂经由狭槽83从入口主通道76流动或进送到基部沟槽151或通道，并且被朝出口主通道75引导。基部沟槽151或通道可以称为次级通道。如图所示，基部沟槽151中的冷却剂的二次流93通常在与主通道(出口主通道75或入口主通道76)中的冷却剂流大致横向或大致正交的方向上并且远离入口主通道76中的主流91。出口主通道75中的主流91朝向出口82。较大的箭头表示主流91在主通道中的总方向，而较小的箭头表示桥接流或二次流92 在基部沟槽151中的总方向。[〇〇48]如图所示，主通道(75、76)具有包括连通狭槽83的大致矩形横截面，虽然通道的其它横截面形状是可以的并且落入随附权利要求范围内。每个主通道(75、76)都具有沿着其主通道纵向地定向或大致平行于主流91的相应的狭槽83。中心构件16具有出口主通道75和入口主通道76,其中入口主通道76可以经由狭槽83和半导体开关模块12的基部沟槽151或通道将冷却剂输送到出口主通道75。
[0049]中心构件16或歧管可以由金属、合金、聚合物、复合物、纤维填充聚合物、纤维填充塑料、或由树脂、聚合物或塑料基质结合的填充物构成。[0〇5〇]图7不出图6的中心构件16(例如，歧管)和半导体开关模块12的下部的分解图。图6 和图7中的类似附图标记表示类似的元件。图7提供额外箭头，所述额外箭头涉及中心构件 16或歧管中的并且通过半导体开关模块12的邻接或附近的沟槽或通道的说明性冷却剂流。 [〇〇51]已经描述了实施例或更多实施例，显然可以在没有脱离本发明的如在附随权利要求中限定的包括范围的情况下进行多个修改例。本发明的其他实施例可以包括来自一个或多个从属权利要求的特征的若干组合，并且这些特征可以被共同地或分别地合并到任一独立权利要求中。
【主权项】
1.一种用于半导体器件或电路的封装件，所述封装件包括: 半导体开关模块，所述半导体开关模块具有金属垫和位于外侧的金属基部； 密封式金属外壳，所述密封式金属外壳保持所述半导体开关模块且具有一组电介质区域，该组电介质区域具有与密封式金属外壳电绝缘或电隔离的嵌入式或穿过式电端子，所述电端子电连接到金属垫;和 壳体，所述壳体用于将半导体开关模块容纳在密封式金属外壳中，所述壳体包括用于保持或循环冷却剂并叠置在金属基部上的腔。2.根据权利要求1所述的封装件，其中，所述金属基部包括多个基部沟槽或通道。3.根据权利要求2所述的封装件，其中，所述基部沟槽或通道是大致平行的。4.根据权利要求1所述的封装件，其中，所述金属外壳包括: 基部，侧壁从该基部向上延伸；以及 顶部，所述顶部气密地连接到或液压地密封到所述侧壁和所述金属基部。5.根据权利要求1所述的封装件，其中，所述壳体具有用于容纳密封式金属外壳的中心开口。6.根据权利要求5所述的封装件，其中，所述壳体包括与第一端口连通的第一周边通道、与第二端口连通的第二周边通道，所述第一端口和所述第二端口与所述腔连通。7.根据权利要求1所述的封装件，还包括固定到所述壳体的盖和密封框架，所述密封框架位于所述壳体的上表面的至少一部分与所述盖之间。8.根据权利要求7所述的封装件，其中，所述腔被限定在金属基部、盖和密封框架之间。9.根据权利要求1所述的封装件，还包括位于所述壳体内的中心构件，其中所述中心构件具有用于循环冷却剂的多个主通道。10.根据权利要求9所述的封装件，其中，所述中心构件具有位于中心构件的一侧通向所述主通道的入口和位于相反侧的主通道的出口。11.根据权利要求9所述的封装件，其中，每个主通道都在该通道的一个端部处具有开口端并且在该通道的相反的端部处具有与所述开口端相对的终止端，其中，每个主通道的终止端引导或迫使冷却剂在半导体开关模块的基部沟槽或通道中流动。12.根据权利要求11所述的封装件，其中，基部沟槽中的冷却剂的二次流通常处于与主通道中的冷却剂流大致横向或大致正交的方向上，并且其中，冷却剂的二次流被从所述主通道中的狭槽供给。13.根据权利要求1所述的封装件，还包括位于所述壳体内的中心构件，其中，所述中心构件具有多个出口主通道和入口主通道，其中，入口主通道能够经由狭槽和半导体开关模块的基部沟槽或通道将冷却剂输送到出口主通道。14.根据权利要求1所述的封装件，还包括位于所述壳体中的中心构件，其中，所述中心构件具有多个主通道，所述主通道具有大致矩形的横截面，每个主通道都具有沿着该主通道纵向地定向的相应的狭槽。
【文档编号】H01L23/045GK106098631SQ201610284232
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】克里斯托弗·J·施米特, 布立基·N·僧伽
【申请人】迪尔公司