功率模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种功率模块，其包括封装支撑基板以及位于所述封装支撑基板上的功率半导体芯片组，所述功率半导体芯片组具有一个或多个功率半导体芯片，功率半导体芯片组具有三个连接电极，所述三个连接电极分别为第一电极、第二电极以及第三电极；封装支撑基板上设有设置用于与第一电极电连接的第一连接层、用于与第二电极电连接的第二连接层以及用于与第三电极电连接的第三连接层；功率半导体芯片组的第二电极通过功率金属连接片与第二连接层电连接，且功率金属连接片上设置便于焊接以及避开障碍物的连接躲避结构。本实用新型结构紧凑，工艺简单，能降低寄生电感，增强过电流能力，降低了热阻，提高可靠性。
【专利说明】
功率模块
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种封装结构，尤其是一种功率模块，属于电力电子器件的技术领域。
【背景技术】
[0002]对于普通的焊接式IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)功率模块来说，半导体芯片的电气连接主要是靠铝线楔焊键合技术来实现的，采用铝线楔焊键合主要是因为其工艺简单成熟，成本低廉，适合大规模生产。一般地，半导体芯片的栅极通过金属线与基板表面铜层连接。半导体芯片的发射极(源极)通过铝线和基板表面铜层连接。但是由于功率模块要求其内部的半导体芯片流过较大的电流，而单根铝线的载流能力比较弱，接触电阻太大，所以需要在一个模块的内部半导体芯片上键合多根并联铝线，以用于通过较大的电流，而集成化的模块中通常有多个半导体芯片组成电路拓扑结构，这样就会造成模块内部用于过大电流的铝线有几十甚至上百根，同时为了保证半导体芯片表面的电流均衡和开启一致性，半导体芯片表面的键合点必须均匀的分布于半导体芯片表面，所以在大功率模块封装键合铝线时多采用跳线的方式，这样一根铝线又会有多个键合点，过多的铝线以及更多的键合点会使可靠性降低。
[0003]此外，过多铝线连接，会导致铝线之间的电流不均匀，而电流不均容易导致电路结构的局部过热，严重时会造成半导体芯片以及铝线的烧熔。同时，在铝线内通过大电流会产生较高的电磁场，由于各铝线之间的间隔小，由所述的高电磁场引起的强机械力在铝线之间产生，从而影响铝线焊接处的可靠性，造成键合点薄弱。
[0004]多根铝线之间还会产生自感和互感，这种寄生电感会增加瞬间电压Vovershoot，当瞬间电压Vovershoot与电源电压VDD之和大于功率模块能承受之电压时，会造成功率模块过电压击穿而失效。同时，每个键合点都是模块封装中的薄弱环节，只要一个键合点出现弹坑问题即会导致整个模块失效，或者其中某个键合点虚焊也会导致半导体芯片表面的电流和温度分布不均，进而影响到模块的可靠性。
[0005]基于此，人们开发了铝带键合，铝带键合是将半导体芯片的源极通过铝带和覆铜陶瓷基板表面铜层连接，这样虽然能提高过电流能力，同时提高了设备的UPH(Units PerHour，每小时的产量)，但是其设备改造费用昂贵，并且铝带的折角范围小会限制到半导体芯片和模块的整体布局，同时对回流后的半导体芯片平整度提出了更高的要求。
[0006]为了提高键合点可靠性，又开发了铜引线键合技术、铝包铜线键合技术，但是引线键合工艺无法避免的一个共同缺点是多根引线并联会产生邻近效应，导致键合线之间电流分布不均；引线键合工艺带来的寄生电感比较大，会给器件带来较高的开关过电压。
[0007]另外，公开号为CN103367305A的文件公开了一种利用导电薄膜并通过银烧结与半导体芯片连接来代替铝线键合，以提高过电流能力，降低寄生电感为目的功率模块。但是这种设计方案的缺点是，导电薄膜在操作过程之中容易损坏，并且难以修复。公开号为CN101946318的文件揭示的封装采用两层覆铜陶瓷基板并通过室温结合法分别连接半导体芯片的正反面，以提高电、热连接性能，但是元件的结合面需要采用CMP(化学或机械抛光)工艺进行打磨和平整化处理，增加了工艺步骤和成本，而且存在结构复杂的问题。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种功率模块，其结构紧凑，工艺简单，能降低寄生电感，增强过电流能力，降低了热阻，提高可靠性。
[0009]按照本实用新型提供的技术方案，所述功率模块，包括封装支撑基板以及位于所述封装支撑基板上的功率半导体芯片组，所述功率半导体芯片组具有一个或多个功率半导体芯片，功率半导体芯片组具有三个连接电极，所述三个连接电极分别为第一电极、第二电极以及第三电极;封装支撑基板上设有设置用于与第一电极电连接的第一连接层、用于与第二电极电连接的第二连接层以及用于与第三电极电连接的第三连接层;功率半导体芯片组的第二电极通过功率金属连接片与第二连接层电连接，且功率金属连接片上设置便于焊接以及避开障碍物的连接躲避结构。
[0010]所述功率半导体芯片组固定于第三连接层上，且功率半导体芯片组的第三电极与第三连接层直接接触后电连接，功率半导体芯片组的第一电极通过信号金属连接体与第一连接层电连接，所述信号金属连接体呈线状或片状。
[0011 ]所述连接躲避结构包括用于躲避栅极总线的躲避凹槽，所述躲避凹槽位于功率金属连接片邻近功率半导体芯片组的一侧。
[0012]所述连接躲避结构包括通过躲避凸起形成的躲避弧槽，所述躲避凸起在功率金属连接片的高度为功率金属连接片厚度的10%?90%。
[0013]所述功率金属连接片的端部设有用于形成高度差的连接过渡体。
[0014]所述功率金属连接片通过过渡金属片与功率半导体芯片组的第二电极电连接。
[0015]封装支撑基板为覆铜陶瓷基板或绝缘金属基板。
[0016]所述功率半导体芯片组的正面具有可钎焊或银烧结的正面金属化层。
[0017]本实用新型的优点:通过功率金属连接片和/或过渡金属片将功率半导体芯片组的第二电极与第二连接层电连接，功率金属连接片上设置躲避结构，避免与半导体芯片的栅极总线接触，功率金属连接片、过渡金属片能够降低寄生电感，增强过电流能力，降低了热阻，提高了使用的可靠性，结构紧凑，工艺简单，适应范围广。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的一种结构不意图。
[0019]图2为本实用新型的另一种结构不意图。
[0020]图3为本实用新型功率金属连接片的一种示意图。
[0021 ]图4为本实用新型功率金属连接片的另一种示意图。
[0022]附图标记说明:1_封装支撑基板、2-功率半导体芯片组、3-功率金属连接片、4-信号金属连接体、5-过渡金属片、6-躲避凸起、7-躲避弧槽、8-连接过渡体、9-躲避凹槽、10-台阶连接端、11 -第二连接层、12-第一连接层以及13-第三连接层。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0024]如图1所示:为了增强过电流能力，降低热阻，提高可靠性，本实用新型包括封装支撑基板I以及位于所述封装支撑基板I上的功率半导体芯片组2，所述功率半导体芯片组2具有一个或多个功率半导体芯片，功率半导体芯片组2具有三个连接电极，所述三个连接电极分别为第一电极、第二电极以及第三电极;封装支撑基板I上设有设置用于与第一电极电连接的第一连接层12、用于与第二电极电连接的第二连接层11以及用于与第三电极电连接的第三连接层13;功率半导体芯片组2的第二电极通过功率金属连接片3与第二连接层11电连接，且功率金属连接片3上设置便于焊接以及避开障碍物的连接躲避结构。
[0025]具体地，封装支撑基板I为覆铜陶瓷基板或绝缘金属基板，第二连接层11、第一连接层12以及第三连接层13同在封装支撑基板I的同一侧表面，第二连接层11、第一连接层12以及第三连接层13间相互绝缘隔离，封装支撑基板I以及封装支撑基板I上第二连接层11、第一连接层12、第三连接层13的具体结构以及分布均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
[0026]当功率半导体芯片组2内的功率半导体芯片为MOSFET时，所述功率半导体芯片组2的第一电极为MOSFET的栅极，第二电极为MOSFET的源极，第三电极为MOSFET的漏极。
[0027]当功率半导体芯片组2内的功率半导体芯片为IGBT时，所述功率半导体芯片组2的第一电极为IGBT的门极，第二电极为IGBT的发射极，第三电极为IGBT的集电极。
[0028]所述功率半导体芯片组2与封装支撑基板I上各电极连接层的电路拓扑结构可以根据需要进行确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。功率金属连接片3呈一体的片状结构，功率金属连接片3的一端与功率半导体芯片组2的第二电极固定连接，功率金属连接片3的另一端与第二连接层11焊接固定。本实用新型实施例中，通过一个片状的功率金属连接片3能够满足过流能力，且能避免现有多根并联铝线带来的寄生电感等问题。
[0029]所述功率半导体芯片组2直接固定于第三连接层13上，且功率半导体芯片组2的第三电极与第三连接层13电连接，功率半导体芯片组2的第一电极通过信号金属连接体4与信号端连接层12电连接，所述信号金属连接体4呈线状或片状。
[0030]本实用新型实施例中，功率半导体芯片组2位于第三连接层13上，功率半导体芯片组2的背面通过焊料焊接在第三连接层13上，从而实现功率半导体芯片组2的第三电极与第三连接层13间连接，即能实现功率半导体芯片组2的第三电极与第三连接层13之间的电连接。具体实施时，功率金属连接片3的一端通过焊料与功率半导体芯片组2的第二电极焊接固定，功率金属连接片3的另一端通过焊料与第二连接层11焊接固定。信号金属连接体4呈线状或片状，当信号金属连接体4采用线状结构时，与现有方式相同，当信号金属连接体4采用片状时，能进一步提高功率半导体芯片组2的第一电极与第一连接层12的可靠性。信号金属连接体4的两端分别与功率半导体芯片组2的第一电极、第一连接层12焊接固定，上述焊料通常是焊膏或预成型焊片采用真空回流焊工艺，具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。
[0031]为了避免功率半导体芯片组2正面的栅极总线与功率金属连接片3的接触，根据功率半导体芯片组2正面栅极总线的分布，在功率金属连接片3上设置连接躲避结构。
[0032]如图3所示，为功率金属连接片3的一种具体形式，在功率金属连接片3上具有两个躲避凸起6，所述躲避凸起6的方向为远离功率半导体芯片组2正面的方向，躲避凸起6呈拱形，从而在躲避凸起6的下方形成躲避弧槽7，所述躲避凸起6在功率金属连接片3的高度为功率金属连接片3厚度的10%?90%。图3中示出了具有两个躲避弧槽7的状态，通过躲避弧槽7能避免功率金属连接片3与栅极总线的接触。
[0033]图4为功率金属连接片3的另一种形式，功率金属连接片3邻近功率半导体芯片组2正面的一侧设置躲避凹槽9，所述躲避凹槽9沿功率金属连接片3的宽度分布，功率金属连接片3上躲避凹槽9的位置以及数量与功率半导体芯片组2上栅极总线的分布相关，以能避免功率金属连接片3与栅极总线接触即可。
[0034]具体实施时，由于功率金属连接片3的一端与功率半导体芯片组2的第二电极焊接固定，另一端直接与第二连接层11焊接，造成功率金属连接片3两端的焊接面高度不在同一水平面，为了保证焊接面充分接触，在功率金属连接片3的一端设置连接过渡体8，通过连接过渡体8能在功率金属连接体3的端部形成台阶连接端1，即通过台阶连接端10形成的高度差补偿焊接面高度不一致。此外，为了便于钎焊或银烧结，在功率半导体芯片组2正面具有正面金属化层，所述正面金属化层采用可钎焊或银烧结的材料，如TiNiAg，具体的材料以及过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。功率金属连接片3需要流过大电流，因此，功率金属连接片3需要选用具有良好导电性和导热性能的材料，如铜等，功率金属连接片3的表面可镀镍、银、金或锡层，功率金属连接片3的宽度以及厚度等均具体根据需要进行确定，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
[0035]如图2所示，所述功率金属连接片3通过过渡金属片5与功率半导体芯片组2的第二电极电连接。
[0036]具体实施时，功率金属连接片3选用铜时，铜的热膨胀系数(17ppm/K)，与半导体芯片材料(例如硅或者碳化硅)两者之间热膨胀系数的巨大差异，会引起功率半导体芯片组2与功率金属连接片3之间的焊料层承受较大的热应力，焊料层容易产生疲劳裂纹，影响模块使用寿命，对于功率等级较大或半导体芯片尺寸较大的模块，这种现象会表现的更加明显。为提高这类模块的抗疲劳性能，可以采用在功率半导体芯片组2的第二电极和功率金属连接片3的之间加上一层过渡金属片5的方式，过渡金属片5可选用钼、铜钼、铜钨合金，表面镀镍、镍银等可钎焊材料。钼、铜钼、铜钨等金属或合金的热膨胀系数(5-8ppm/K)，可以减小焊料层热应力以提高模块抗疲劳强度，增强可靠性。
[0037]本实用新型实施例中，焊接过渡金属片5和功率金属连接片3时，可以先将过渡金属片5背面焊接到功率半导体芯片组2的第二电极上，再在过渡金属片5正面焊接功率金属连接片3，即功率金属连接片3通过过渡金属片5与功率半导体芯片组2的第二电极电连接。此外，也可以先将过渡金属片5和功率金属连接片3预先焊接成一个整体，而后整体焊接到功率半导体芯片组2的第二电极上。具体实施时，功率金属连接片3上也具有躲避结构，所述躲避结构的具体形式可参考上述的说明，此处不再赘述。
[0038]与用多根金属引线并联的方式相比，引线与功率半导体芯片组2的接触面积仅占功率半导体芯片组2表面积的20%左右，而用过渡金属片5和功率金属连接片3焊接或直接用功率金属连接片3的连接方式，与功率半导体芯片组2表面的接触面积却可以达到50%以上，降低了接触电阻、热阻和寄生电感，提高了模块过电流能力，增强了模块的可靠性。
[0039]本实用新型已经图解并描述了本实用新型的特定实施例，但本实用新型要求保护的权利范围并不限于此，利用了本实用新型的基本概念，所属技术领域的技术人员进行的各种变形以及改善，仍属于本实用新型请求的权利范围。
【主权项】
1.一种功率模块，包括封装支撑基板(I)以及位于所述封装支撑基板(I)上的功率半导体芯片组(2)，所述功率半导体芯片组(2)具有一个或多个功率半导体芯片，功率半导体芯片组(2)具有三个连接电极，所述三个连接电极分别为第一电极、第二电极以及第三电极；封装支撑基板(I)上设有设置用于与第一电极电连接的第一连接层(12)、用于与第二电极电连接的第二连接层(11)以及用于与第三电极电连接的第三连接层(13);其特征是:功率半导体芯片组(2)的第二电极通过功率金属连接片(3)与第二连接层(11)电连接，且功率金属连接片(3)上设置便于焊接以及避开障碍物的连接躲避结构。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述功率半导体芯片组(2)固定于第三连接层(13 )上，且功率半导体芯片组(2 )的第三电极与第三连接层(13 )直接接触后电连接，功率半导体芯片组(2)的第一电极通过信号金属连接体(4)与第一连接层(12)电连接，所述信号金属连接体(4)呈线状或片状。3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述连接躲避结构包括用于躲避栅极总线的躲避凹槽(9)，所述躲避凹槽(9)位于功率金属连接片(3)邻近功率半导体芯片组(2)的一侧。4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述连接躲避结构包括通过躲避凸起(6)形成的躲避弧槽(7)，所述躲避凸起(6)在功率金属连接片(3)的高度为功率金属连接片(3)厚度的10%?90%。5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述功率金属连接片(3)的端部设有用于形成高度差的连接过渡体(8)。6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述功率金属连接片(3)通过过渡金属片(5)与功率半导体芯片组(2)的第二电极电连接。7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:封装支撑基板(I)为覆铜陶瓷基板或绝缘金属基板。8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是:所述功率半导体芯片组(2)的正面具有可钎焊或银烧结的正面金属化层。
【文档编号】H01L23/492GK205542761SQ201620306528
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】朱袁正, 余传武
【申请人】无锡新洁能股份有限公司