专利名称：阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半导体器件封装的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件封装领域，具体涉及了一种阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半 导体器件封装
背景技术：
以半导体功率器件、微电子和计算机技术为基础的现代电力电子技术是节能减 排、开发绿色能源的核心和关键。而半导体功率器件的电特性和热特性又是核心的核心、关 键的关键。一方面半导体功率器件的应用为人类节约了大量的能源，另方面其工作过程中 无法避免的热效应而导致失效又是各类变换器损坏的主要原因。大部分半导体功率器件 优化的工作温度为100°c以下，很多器件在100°C以上时就很容易失效。因此，一方面要降 低器件的损耗，例如发展高速度低导通压降器件、软开关等技术，同时要改善器件的散热性 能，缺一不可。半导体器件封装样式多种多样，早期主要是各类引线工艺，技术本身存在诸多缺 陷，表现在多根引线并联会产生邻近效应，导致同一硅片的键合线之间或同一模块内的 不同硅片的键合线之间电流分布不均；由于高频大电流通过互相平行的引线产生电磁场， 由此形成的电磁力容易造成引线老化；引线键合工艺的寄生电感很大，会给器件带来较高 的开关过电压，形成开关应力；引线本身很细，又普遍采用平面封装结构，传热性能不够 好；引线和硅片作为不同的材料，二者热膨胀系数的差异会产生热应力等等。近年来发展 的各类凸点阵列球焊工艺使情况大为改进。但工业应用的大功率的半导体功率器件如可 控硅、GTO会有很大的面积，每个管芯直径常大于50mm，重要的不是驱动保护等各种功能 性的智能化集成，而是功率器件本身的输入输出引线的寄生电感，器件的热阻，内部的热应 力。传统电力电子器件采用的互连工艺主要有键合与压接两种方式。前者适用于电流容量 为50 600A的器件，由于工艺成熟、成本低，应用较为广泛；后者适用于电流超过500 3000A的器件。然而，这两种互连方式都有很大缺陷，热阻、热应力、功率引线的寄生电阻和 电感是设计要点，也是最大的问题所在。键合方式为减小热应力的影响，常在硅片和导电衬 底间加钼片，增加了热阻，电阻，成本，热应力也没彻底消除。压接方式的缺陷主要体现在对 管芯、压块、底板等零件平整度要求很高，否则不仅使模块的接触热阻增大，而且会损伤芯 片，严重时使芯片碎裂；要保证施加合适的压力，压力过大，会损伤芯片；压力过小，不仅使 正向峰值压降、热阻增大，而且会使这两个参数不稳定；由于热应力会使弹簧片等紧固件发 生较大的塑性形变，使加在芯片上的压力发生变化，造成正向峰值压降和热阻不稳定；工艺 设备复杂，成本，高，壳内零件较多易引起芯片沾污。因此，低寄生参数、高性能、能有效传 热、高可靠性的新型封装结构和互连方式成为工艺中研究的主要问题。功率器件的散热主要有风冷却，水冷却和蒸发冷却三种方式。近年来随着功率 密度的增加，高效能的蒸发冷却越来越引起人们的重视，进行了大量的研究。如中国专利 200910157264. 7,200910009142. 3公开了重力循环蒸发冷却技术方案，使半导体功率器件 的封装不但具有更好的热传导特性，且适于印制板装配。但并没有接决器件的热应力这一重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一个解决以上问题的技术方案。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下—种重力循环蒸发冷却半导体器件封装，包括构成蒸发腔室的外壳、腔室内的器 件管芯和周边的密封树脂，腔室内的器件管芯包括半导体芯片、板状引出线其特征在于所 述半导体芯片和板状引出线由阵列柔性焊柱连接，所述柔性焊柱由细金属丝组合而成，横 截面圆形或圆角方形为优选，两个端面由熔合或焊接形成金属固化薄层，厚度以0. 2到0. 6 毫米为优选，由导电和导热性能好的金属制成，优选铜或铜合金。当芯片的面积过大，例如 直径大于20毫米，可使柔性焊柱平行的两个端面与柱面不垂直，使得焊柱与半导体芯片、 板状引出线焊接后不垂直，偏离角度以5-15度为优选，偏离的方向以在半导体芯片的中心 垂线为中心线的圆柱面内沿圆周同一方向，两个面对称为优选，这样就可使热伸缩转变为 芯片的微旋转，进一步减小热应力。焊装有平板引线的半导体功率器件管芯，以垂直方向为优选，有利于汽泡的上行， 其平板引线由密封腔体蒸发室侧面引出，通过压紧和树脂密封整个冷却系统。本发明的有益效果本发明技术方案采用阵列柔性焊柱连接，重力循环蒸发冷却原理进行散热的半导 体器件封装，在结构上，本发明的技术方案的半导体管芯立向直接装在蒸发室内，不但实现 了最好的热传递，而且装配紧凑，更减小了器件内的热机械应力，提高了寿命。器件进一步 小型化，结构上更利于产品的印制板装配。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明实施例阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半导体器件封装结构示意图；图2为本发明实施例柔性焊柱示意图；图3为本发明实施例两个端面与柱面不垂直柔性焊柱示意图；图4为本发明两个端面与柱面不垂直柔性焊柱与半导体芯片和板状引线装配结 构局部放大的示意图；图5为本发明两个端面与柱面不垂直柔性焊柱与半导体芯片和板状引线装配结 构侧面透视示意图。其中，图1中，1为被封装的半导体功率器件管芯，2为板状引出线，3为蒸发室侧 板，4为绝缘材料，5为控制引出线，6为包封树脂，7为液体冷媒进口，8为冷媒通道，9为芯 片钝化包封，10为冷媒通孔，11为柔性焊柱。图2中，1为柔性焊柱端面由熔接或焊接形成 的密封金属层，2为横截面为圆形或圆角形的金属丝束。图3中，1为柔性焊柱端面由熔接 或焊接形成的密封金属层，2为横截面为圆形或圆角形的金属丝束。图4中，1为被封装的 半导体器件管芯，2为板状引出线，3为柔性焊柱，4为芯片钝化包封，5为控制引出线。图5 中，1为被封装的半导体器件管芯，2为板状引出线，3为柔性焊柱，4为被封装的半导体器件 芯片的中心点。
具体实施例方式为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来说 明技术；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。实施例阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半导体器件封装。如图1所示，该重力循环蒸发冷却半导体器件封装包括被封装的半导体器件管芯 1，引出线2，蒸发室侧板3，绝缘材料4，控制引出线5，包封树脂6，液体冷媒进口 7，冷媒通 道8，芯片钝化包封9，冷媒通孔10，柔性焊柱11。柔性焊柱11的一个端面焊接于半导体器 件管芯1的由蒸发或贱射等工艺形成的欧姆接触金属或肖特基节的金属表面，另一端面与 板状引出线2焊接。多个管芯可装配在同一蒸发室内，并可以共用板状引出线。板状引出 线2穿过蒸发室的侧壁引出，功率大的器件可由4周边完整引出，利于密封，也可全部由底 面引出，利于电路板装配。控制引线5可由半导体功率器件管芯1的外表面直接引出，靠外 包封树脂6固定，或是用引线压焊至绝缘固定于蒸发室内的金属极板引出。密封蒸发室的 最高点配有冷媒通道8，当器件的发热量不是很大时，一条冷媒通道即可同时做冷媒汽泡上 行通道和冷媒液体下行通道，当器件的发热量很大时，在蒸发室的下部专门配置冷媒液体 通道7。如图2所示，细的金属丝直径以0. 05-0. 2毫米为优选，组合成横截面为圆形或圆 角方形为优选，长度为1-5毫米为优选，两个端面以等离子或激光熔接形成完整金属薄层 为优选，厚度以0. 2-0. 6毫米为优选，也可以由焊接形成。当芯片的面积过大，例如直径大于20毫米，可使柔性焊柱平行的两个端面与柱面 不垂直，如图3所示，使得焊柱与半导体芯片、板状引出线焊接后不垂直，偏离角度以5-15 度为优选。如图4所示，偏离的方向以两个面对称为优选。如图5所示，在半导体芯片的中 心垂线为中心线的圆柱面内的沿圆周同一方向，这样就可使热伸缩转变为芯片的微旋转， 进一步减小热应力。在柔性焊柱与芯片和引线的焊接过程中，要避免焊接金属液体浸入柔性焊柱的中 间部分，必要时可利用阻焊剂。柔性焊柱间的间隙尽管很小，对蒸发冷却媒质液体和汽泡的 流通应充分够用，这样芯片产生的热量透过钝化膜加热冷媒，通过柔性焊柱传导加热冷媒， 传导到弓I线加热冷媒，热阻极小，芯片的温升会很低。通过使用柔性焊柱实现半导体芯片与引线的焊接，很好的消除热应力的影响，蒸 发冷却的方法，采用重力循环原理简单高效的将各种大功率半导体功率器件的热量直接导 出，立式的封装结构增加了封装密度，便于冷媒循环，不仅解决了散热的技术难题，并且减 小了体积、重量，使之适应于印制板装配。本领域普通技术人员根据本发明的内容，以及上 面给出的实施例，按照实际的需求来选择决定，但凡基于本发明权利保护范围内的几种方 式的组合以及不脱离本发明权利要求宗旨变化均应在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种蒸发冷却半导体器件封装，尤其是一种阵列焊柱连接蒸发冷却分立半导体功率器件封装，包括构成蒸发腔室的外壳、腔室内的器件管芯和周边的密封树脂，腔室内的器件管芯包括半导体芯片、板状引出线其特征在于所述半导体芯片和板状引出线由阵列柔性焊柱连接，所述柔性焊柱由细金属丝组合而成，横截面圆形或圆角方形为优选，两个端面由熔合或焊接形成固化金属薄层，厚度以0.2到0.6毫米为优选；
2.根据权利要求1所述的阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半导体器件封装，其特征在于所 述柔性焊柱由导电和导热性能良好的金属制成，优选铜或铜合金；
3.根据权利要求1所述的阵列柔性焊柱连接蒸发冷却分立半导体功率器件封装，其特 征在于所述柔性焊柱平行的两个端面与柱面不垂直，使得焊柱与半导体芯片、板状引出线 焊接后不垂直，偏离角度以5-15度为优选，偏离的方向以在半导体芯片的中心垂线为中心 线的圆柱面内的沿圆周同一方向，两个面对称为优选。
全文摘要
本发明公开了一种阵列柔性焊柱连接蒸发冷却半导体器件封装，其特征在于所述阵列式连接半导体芯片和引线的焊柱为两端面熔接的集束金属丝，很好的消除了热应力，重力循环蒸发冷却的方式换热效率高，半导体管芯垂直安装利于冷媒循环，封装包括立式装配的半导体管芯和功率、控制引出线，便于生产，器件的封装密度大，易于整机的装配，如采用二次换热的方法更利于器件的更换和维修。
文档编号H01L23/427GK101958297SQ200910158009
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者王玉富 申请人:王玉富