一种功率半导体器件封装结构及封装方法与流程

本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种功率半导体器件封装结构及封装方法。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、开关速度快、工作频率高、元件容量大、无吸收电路等优点，已广泛应用于工业变流、电力牵引等领域。压接封装是大功率IGBT最新的封装形式，与传统的焊接型IGBT(Soldered IGBT Module)相比，压接型IGBT(Press-pack IGBT)利用压力实现热力学和电气的连接，并保证了双面散热，可靠性很高，被认为是大功率应用场合以及输出功率有大幅波动的应用场合的理想器件，能满足高压直流输电和新能源并网对开关器件的要求，也能满足电力系统对供电高可靠性的要求。

传统的刚性压接IGBT器件结构中，功率芯片的集电极和发射极均与刚性材料直接接触，根据功率芯片表面功能区的布局，在功率芯片的背面全部为集电极，而在正面发射极一侧分布有发射极、绝缘终端和栅极三个区域，因此功率芯片的集电极面积要大于发射极。在这种传统压接型IGBT器件中，功率芯片两侧的刚性电极施加压力面积大小有所差别，集电极一侧的刚性电极压力面积往往同集电极面积本身相当，即压力均匀分布在集电极所有表面，而发射极一侧的刚性电极压力面积与发射极面积相当，压力均匀分布在发射极所有表面。

采用这种封装结构的器件在承受压力时，由于上下接触面不相等，会导致芯片弯曲。在传统的中低压小容量的IGBT器件封装中，由于其绝缘终端的尺寸占比比较小，这种芯片两侧不对称施加压力的封装结构给功率芯片带来的影响还不是很明显；然而，随着IGBT器件在电力系统的应用需求，对芯片的电压和容量提出了更高的要求，在这种背景下，随着电压等级的提升，芯片表面绝缘终端的面积占比会增大，这就造成芯片受弯现象更加严重，在芯片集电极一侧产生较大的拉应力。由于芯片本身是脆性材料，脆性材料的抗拉能力又相对较弱，芯片内部容易产生裂纹，造成芯片发生脆断，给器件的制备以及服役可靠性造成严重的威胁。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例提出了一种功率半导体器件封装结构及封装方法，用以解决现有封装结构中芯片上下两侧承压面积相差较大，造成严重的芯片弯曲，导致芯片因产生裂纹甚至发生脆断而失效，给器件的制备以及服役可靠性造成严重威胁的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种功率半导体器件封装结构，包括：至少一个封装子模组，所述封装子模组包括：上金属片、定位框架、功率芯片及下金属片；所述功率芯片设置于所述下金属片上；所述上金属片卡合于所述定位框架中，与所述定位框架共同设置于所述功率芯片上；所述上金属片的尺寸不小于所述下金属片的尺寸，且所述上金属片的尺寸与所述下金属片的尺寸差异小于预设差值。

在一实施例中，所述封装子模组还包括：绝缘框架和连接件，所述绝缘框架的顶部为卡扣形状，所述连接件的第一端固定于所述绝缘框架的定位通孔内，所述连接件的第二端连接于所述功率芯片的第一电极。

在一实施例中，所述连接件为弹簧探针。

在一实施例中，所述封装子模组还包括：支撑片，设置于所述下金属片的下方，与所述上金属片、定位框架、功率芯片以及下金属片共同固定于所述绝缘框架内。

在一实施例中，所述功率半导体器件封装结构还包括：下盖板，设置有多个金属凸台，多个所述封装子模组固定设置于所述多个金属凸台上，所述多个金属凸台与多个所述封装子模组一一对应设置。

在一实施例中，所述功率半导体器件封装结构还包括：PCB板，设置于所述下盖板的上表面，与所述连接件连接。

在一实施例中，所述功率半导体器件封装结构还包括：引出件，固定连接于所述PCB板上，通过所述连接件及所述PCB板将所述功率芯片的第一电极引出至所述功率半导体封装结构的侧面。

在一实施例中，所述功率半导体器件封装结构还包括：上盖板，压接于多个所述封装子模组上，与所述下盖板之间绝缘连接。

本发明实施例还提供一种功率半导体器件的封装方法，包括：得到封装子模组，所述得到封装子模组，包括：将功率芯片设置于下金属片上；将上金属片卡合于定位框架中，与所述定位框架共同设置于所述功率芯片上，所述上金属片的尺寸不小于所述下金属片的尺寸，且所述上金属片的尺寸与所述下金属片的尺寸差异小于预设差值。

在一实施例中，所述得到封装子模组中，将功率芯片设置于下金属片上之前，还包括：将一连接件的第一端固定于绝缘框架的定位通孔内；将一支撑片固定于所述绝缘框架中；将所述下金属片设置于所述支撑片上。

在一实施例中，所述得到封装子模组，还包括：将所述连接件的第二端连接于所述功率芯片的第一电极。

在一实施例中，所述得到封装子模组之后，还包括：将PCB板设置于下盖板的上表面；将多个所述封装子模组固定设置于所述下盖板上的多个金属凸台上，多个所述封装子模组与所述多个金属凸台一一对应设置；将所述PCB板与所述连接件连接；将一引出件与所述PCB板固定连接，通过所述连接件、PCB板及引出件将所述功率芯片的第一电极引出至所述功率半导体封装结构的侧面；将上盖板压接于多个所述封装子模组上，所述上盖板与下盖板之间绝缘连接。

本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：

本发明实施例提供了一种功率半导体器件封装结构及封装方法，该功率半导体器件封装结构包括：至少一个封装子模组，该封装子模组包括：上金属片、定位框架、功率芯片及下金属片，功率芯片设置于下金属片上，上金属片卡合于定位框架中，与定位框架共同设置于功率芯片上，上金属片的尺寸不小于下金属片的尺寸，且上金属片的尺寸与下金属片的尺寸差异小于预设差值，使得上金属片与下金属片面积相当，从而有效地减小了功率半导体器件中芯片的弯曲，避免了芯片产生裂纹甚至发生脆断，提高了功率半导体器件的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中封装子模组的一个具体示例的截面图；

图2为本发明实施例中封装子模组的另一个具体示例的截面图；

图3为本发明实施例中封装子模组的一个具体示例的结构示意图；

图4为本发明实施例中封装子模组的另一个具体示例的结构示意图；

图5为本发明实施例中封装子模组的另一个具体示例的结构示意图；

图6为本发明实施例中功率半导体器件封装结构的一个具体示例的截面图；

图7为本发明实施例中得到封装子模组的一个具体示例的流程图；

图8为本发明实施例中得到封装子模组的另一个具体示例的流程图；

图9为本发明实施例中功率半导体器件的封装方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种功率半导体器件封装结构，如图1所示，该功率半导体器件封装结构包括：至少一个封装子模组，封装子模组包括：上金属片11、定位框架12、功率芯片13及下金属片14；功率芯片13设置于下金属片14上；上金属片11卡合于定位框架12中，与定位框架12共同设置于功率芯片13上；上金属片11的尺寸不小于下金属片14的尺寸，且上金属片11的尺寸与下金属片14的尺寸差异小于预设差值。

本发明实施例通过采用上述定位框架12，一方面缩小了上金属片11的面积，使上金属片11能够与下金属片14面积相当，有效地减小了功率半导体器件中芯片的弯曲，避免了芯片因产生裂纹甚至发生脆断而失效，提高了功率半导体器件的可靠性，对于电压等级高(3300V以上)、容量大(50A以上)的芯片，特别是发射极一侧绝缘终端占比较大的芯片，能够显著提高器件在封装和服役中芯片的应力可靠性；另一方面还能够实现上金属片11的定位安装，使得上金属片11固定于功率芯片13的中心位置。

在一优选实施例中，为避免功率芯片13在经受温度循环工况时，由于不同材料之间的热膨胀系数差异，导致热失配产生的热应力对功率芯片13造成损伤，上述上金属片11与下金属片14采用相同材质，该材质可以是金属钼或金属基复合材料可伐合金，金属基复合材料可伐合金可以是金属钼与硅的合金或金属钼与铝的合金，并且，上金属片11与下金属片14的热膨胀系数与功率芯片13的热膨胀系数相近，该热膨胀系数可以是6±2ppm/℃，以提高功率芯片13抗温度循环、功率循环的可靠性。可选地，在本发明的一些实施例中，上金属片11与下金属片14的形状相同，可以是方形。

如图2、图3、图4及图5所示，上述封装子模组还包括：绝缘框架17，可选地，在本发明的一些实施例中，绝缘框架17与上述定位框架12为相同材料，此时，该材料为耐200℃以上高温的热塑性聚合物，可以是聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯等材料；在本发明的其他实施例中，绝缘框架17与上述定位框架12还可以是不同的材质，此时，绝缘框架17的硬度应大于上述定位框架12的硬度，以使定位框架12吸收绝缘框架17的应力,从而起到缓冲作用，保证器件封装的可靠性。在一较佳实施例中，绝缘框架17的顶部为卡扣形状，从而保证定位框架12在绝缘框架17中安装好后不易松动脱落，提高了结构的稳定性和可靠性。

如图2、图3及图4所示，上述封装子模组还包括：连接件16，连接件16的第一端固定于上述绝缘框架17的定位通孔内，连接件16的第二端连接于功率芯片13的第一电极。可选地，在本发明的一些实施例中，该连接件16可以是弹簧探针，弹簧探针的顶部金属与功率芯片13的第一电极实现电气连接。可选地，在本发明的一些实施例中，上述功率芯片13可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，此时，上述第一电极为栅极。可选地，在本发明的其他实施例中，上述功率芯片13还可以是快恢复二极管(FRD)。

如图2、图3及图4所示，上述封装子模组还包括：支撑片15，设置于下金属片14的下方，与上金属片11、定位框架12、功率芯片13以及下金属片14共同固定于绝缘框架17内，可选地，在本发明的一些实施例中，上金属片11与功率芯片13之间、功率芯片13与下金属片14之间以及下金属片14与支撑片15之间可以是采用烧结工艺设置，也可以是直接叠加放置实现物理接触。支撑片15的材料具备良好的导热导电性能以及较低的硬度，这是因为，高压大功率芯片在工作时发热严重，选择导热导电性好的材料可降低热阻，降低功率芯片13服役时的结温，而不同零部件的加工误差会影响不同封装子模组的高度，造成压接过程中子模组之间的应力不均匀，硬度较低的支撑片15能够通过变形吸收应力，从而改善不同封装子模组之间的应力分布，使得各封装子模组之间的应力均匀。可选地，在本发明的一些实施例中，支撑片15的材料可以是金、银、碳纤维或石墨烯等材料。

如图6所示，本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构还包括：下盖板3，该下盖板3上设置有多个金属凸台31，多个封装子模组固定设置于多个金属凸台31上，多个金属凸台31与多个封装子模组一一对应设置。

如图6所示，本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构还包括：PCB板4，设置于上述下盖板3的上表面，与上述连接件16连接。具体地，PCB板4上设置有与下盖板3上的金属凸台31一一对应设置的开口，使得金属凸台31可以穿过PCB板4，连接件16的根部(底部)金属设置于PCB板4的布线区，与PCB板4实现电气连接。可选地，在本发明的一些实施例中，PCB板4可以是通过螺栓设置于下盖板3的上表面，也可以是焊接在下盖板3的上表面。

如图6所示，本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构还包括：引出件5，该引出件5的设置目的在于将功率芯片13的电极引出，对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来说，是将绝缘栅双极型晶体管的栅极引出，该引出件5固定连接于上述PCB板4上，通过连接件16及PCB板4将绝缘栅双极型晶体管的栅极引出至功率半导体封装结构的侧面。可选地，在本发明的一些实施例中，引出件5与PCB板4之间可以是采用焊料焊接或者螺栓打孔的方式固定连接。

如图6所示，本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构还包括：上盖板2，压接于多个封装子模组上，与下盖板3之间绝缘连接。可选地，在本发明的一些实施例中，上盖板2和下盖板3的连接可以是采用冷压焊工艺直接加压连接，也可以是采用氩弧焊工艺将上盖板2和下盖板3的四周分别进行焊接，上盖板2和下盖板3之间进行绝缘处理，采用的绝缘材料可以是陶瓷(氧化铝或氮化铝)。可选地，在本发明的一些实施例中，上盖板2和下盖板3的材料可以是高导电金属材料或金属基复合材料，可以是无氧铜、可伐合金或铜的合金，上盖板2和下盖板3表面分别进行了镀镍处理。可选地，上盖板2和下盖板3的形状相同，可以是圆形或方形。

本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构包括多个封装子模组，具体应用中，可以通过改变封装子模组的数量实现不同电流等级的功率半导体器件的封装，当对功率半导体器件的电流等级要求较高时，可通过增加封装子模组的并联数量实现对功率半导体器件的扩容。

本发明实施例还提供一种功率半导体器件的封装方法，如图7所示，功率半导体器件的封装方法包括：步骤S1：得到封装子模组，具体地，步骤S1包括如下步骤：

步骤S11：将功率芯片13设置于下金属片14上。

步骤S12：将上金属片11卡合于定位框架12中，与定位框架12共同设置于功率芯片13上，上金属片11的尺寸不小于下金属片14的尺寸，且上金属片11的尺寸与下金属片14的尺寸差异小于预设差值。

通过上述步骤S11和步骤S12，采用定位框架12对功率半导体器件进行封装，一方面缩小了上金属片11的面积，使上金属片11能够与下金属片14面积相当，有效地减小了功率半导体器件中芯片的弯曲，避免了芯片因产生裂纹甚至发生脆断而失效，提高了功率半导体器件的可靠性，对于电压等级高(3300V以上)、容量大(50A以上)的芯片，特别是发射极一侧绝缘终端占比较大的芯片，能够显著提高器件在封装和服役中芯片的应力可靠性；另一方面还能够实现上金属片11的定位安装，使得上金属片11固定于功率芯片13的中心位置。

在一优选实施例中，为避免功率芯片13在经受温度循环工况时，由于不同材料之间的热膨胀系数差异，导致热失配产生的热应力对功率芯片13造成损伤，上述上金属片11与下金属片14采用相同材质，该材质可以是金属钼或金属基复合材料可伐合金，金属基复合材料可伐合金可以是金属钼与硅的合金或金属钼与铝的合金，并且，上金属片11与下金属片14的热膨胀系数与功率芯片13的热膨胀系数相近，该热膨胀系数可以是6±2ppm/℃，以提高功率芯片13抗温度循环、功率循环的可靠性。可选地，在本发明的一些实施例中，上金属片11与下金属片14的形状相同，可以是方形。

可选地，在本发明的一些实施例中，如图8所示，上述得到封装子模组的步骤S1中，在通过步骤S11将功率芯片13设置于下金属片14上之前，还包括：

步骤S13：将一连接件16的第一端固定于绝缘框架17的定位通孔内，可选地，该连接件16可以是弹簧探针。

步骤S14：将一支撑片15固定于绝缘框架17中。支撑片15的材料具备良好的导热导电性能以及较低的硬度，这是因为，高压大功率芯片在工作时发热严重，选择导热导电性好的材料可降低热阻，降低功率芯片13服役时的结温，而不同零部件的加工误差会影响不同封装子模组的高度，造成压接过程中子模组之间的应力不均匀，硬度较低的支撑片15能够通过变形吸收应力，从而改善不同封装子模组之间的应力分布，使得各封装子模组之间的应力均匀。可选地，在本发明的一些实施例中，支撑片15的材料可以是金、银、碳纤维或石墨烯等材料。

步骤S15：将下金属片14设置于支撑片15上。

可选地，在本发明的一些实施例中，绝缘框架17与上述定位框架12为相同材料，此时，该材料为耐200℃以上高温的热塑性聚合物，可以是聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯等材料；在本发明的其他实施例中，绝缘框架17与上述定位框架12还可以是不同的材质，此时，绝缘框架17的硬度应大于上述定位框架12的硬度，以使定位框架12吸收绝缘框架17的应力,从而起到缓冲作用，保证器件封装的可靠性。在一较佳实施例中，绝缘框架17的顶部为卡扣形状，从而保证定位框架12在绝缘框架17中安装好后不易松动脱落，提高了结构的稳定性和可靠性。

可选地，在本发明的一些实施例中，如图8所示，上述得到封装子模组的步骤S1中，还包括：步骤S16：将连接件16的第二端连接于功率芯片13的第一电极。可选地，在本发明的一些实施例中，该连接件16可以是弹簧探针，弹簧探针的顶部金属与功率芯片13的第一电极实现电气连接。可选地，在本发明的一些实施例中，功率芯片13可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，此时，上述第一电极为栅极。可选地，在本发明的其他实施例中，上述功率芯片13还可以是快恢复二极管(FRD)。

通过上述步骤S11-步骤S16，将连接件16、支撑片15、下金属片14、功率芯片13、定位框架12及上金属片11装配到绝缘框架17中，实现了单个封装子模组的组装。可选地，在本发明的一些实施例中，上金属片11与功率芯片13之间、功率芯片13与下金属片14之间以及下金属片14与支撑片15之间可以是采用烧结工艺设置，也可以是直接叠加放置实现物理接触。

如图9所示，通过上述步骤S11-步骤S16得到封装子模组之后，本发明实施例提供的功率半导体器件的封装方法还包括：

步骤S2：将PCB板4设置于下盖板3的上表面。具体地，PCB板4上设置有与下盖板3上的金属凸台31一一对应设置的开口，使得金属凸台31可以穿过PCB板4。可选地，在本发明的一些实施例中，PCB板4可以是通过螺栓设置于下盖板3的上表面，也可以是焊接在下盖板3的上表面。

步骤S3：将多个封装子模组固定设置于下盖板3上的多个金属凸台31上，多个封装子模组与多个金属凸台31一一对应设置。

步骤S4:将PCB板4与连接件16连接，具体地，将连接件16的根部(底部)金属设置于PCB板4的布线区，与PCB板4实现电气连接。

步骤S5：将一引出件5与PCB板4固定连接，通过连接件16、PCB板4及引出件5将功率芯片13的第一电极引出至功率半导体封装结构的侧面，可选地，引出件5与PCB板4可以是采用焊料焊接或者螺栓打孔的方式固定连接。

步骤S6：将上盖板2压接于多个封装子模组上，上盖板2与下盖板3之间绝缘连接。可选地，在本发明的一些实施例中，上盖板2和下盖板3的连接可以是采用冷压焊工艺直接加压连接，也可以是采用氩弧焊工艺将上盖板2和下盖板3的四周分别进行焊接，上盖板2和下盖板3之间进行绝缘处理，采用的绝缘材料可以是陶瓷(氧化铝或氮化铝)。可选地，在本发明的一些实施例中，上盖板2和下盖板3的材料可以是高导电金属材料或金属基复合材料，可以是无氧铜、可伐合金或铜的合金，上盖板2和下盖板3的表面分别进行镀镍处理。可选地，上盖板2和下盖板3的形状相同，可以是圆形或方形。

本发明实施例提供的功率器件的封装方法在具体实施时，可根据实际需要设置不同的封装子模组的数量，当对功率半导体器件的电流等级要求较高时，可通过增加封装子模组的并联数量实现对功率半导体器件的扩容。

需要说明的是，上述序号S1-S6不构成对本发明功率半导体器件的封装方法的顺序限定，各步骤之间只要不构成冲突就可以进行互换，本发明不以此为限。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。