一种子模块结构和压接式功率模块的制作方法

1.本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种子模块结构和压接式功率模块。


背景技术：

2.现有半导体芯片子单元或者子模块的芯片包覆式绝缘胶框设置在芯片和集电极、发射极垫块表面外，由于采用灌封绝缘胶框工艺，胶框与金属垫块热膨胀系数存在差异，因此很容易引起高温下绝缘胶框与金属垫块脱附的问题。
3.而在某些改进的方案中由塑料框取代灌封成型的绝缘胶框，芯片通过绝缘胶层固定在塑料框上，这种子单元制造方法需要先对每一个子单元进行封装，且测试时需要逐个子单元测试，效率较低；由于子单元塑料框尺寸较小，结构较复杂，易引起塑料框涂胶时的轨迹偏移等问题，导致绝缘可靠性降低。
4.同时，现有的采用银烧结的灌胶子模块或子单元还存在以下缺点：银烧结工艺加工成本较高；结构各个零件之间可能存在间隙，一体成型过程中绝缘胶会渗入间隙中，压接后芯片在漏胶处出现的应力集中导致芯片失效；高温下，钼片金属和绝缘胶之间会出现热膨胀不匹配的现象，有出现绝缘胶直接脱附的风险；采用灌封胶成型侧框往往结构复杂，封装工艺较为复杂。
5.针对上述问题，急需提出一种新的芯片的子模块结构以克服上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种子模块结构和压接式功率模块，用于至少解决一个上述技术问题。
7.本发明的一方面提供一种子模块结构，所述子模块结构包括下导电基板、至少一个芯片、至少一个金属垫块、侧框绝缘胶层和塑料侧框；其中，
8.所述至少一个芯片通过其上下表面焊接在所述至少一个金属垫块和所述下导电基板之间；
9.所述塑料侧框为镂空结构，且置于所述至少一个芯片之上；
10.所述侧框绝缘胶层涂覆于所述至少一个芯片的边缘与所述塑料侧框之间，实现对所述至少一个芯片的绝缘保护。
11.在一个实施方式中，所述至少一个芯片的下表面通过芯片下侧焊片焊接在所述下导电基板上，所述至少一个芯片的上表面通过芯片上侧焊片焊接在所述金属垫块上。
12.在一个实施方式中，所述至少一个金属垫块之间通过旁路母排连接。
13.在一个实施方式中，所述旁路母排通过弹簧针引出，且所述弹簧针设置在所述塑料侧框的侧边上。
14.在一个实施方式中，所述弹簧针的材料为铜或铍铜，在其与所述旁路母排压接的触点上设置有镀金层。
15.在一个实施方式中，所述金属垫块的热膨胀系数与所述至少一个芯片的热膨胀系
数相匹配，其材料为mo或者mo-cu合金；所述芯片上侧焊片和所述芯片下侧焊片的材料为sn-pb合金或sn-sb合金；和/或，所述侧框绝缘胶层的材料为硅胶或硅橡胶；所述塑料侧框的材料为聚酯，耐温要求为150
°
以上。
16.在一个实施方式中，所述至少一个芯片包括igbt芯片和frd芯片，所述金属垫块的个数与所述芯片的个数相同；所述igbt的上表面为发射极，所述frd芯片的上表面为阳极。
17.在一个实施方式中，所述igbt芯片相互并联，所述frd芯片与所述igbt芯片形成反并联，且上述igbt芯片和所述frd芯片形成至少一个igbt模块的电路拓扑结构。
18.本发明的另一方面提供一种压接式功率模块，其特征在于，所述功率模块包括管座和管盖，所述管座和管盖内压接有至少一个根据上述任一项所述的子模块结构，所述压接的方式包括弹簧压接或者直接压接。
19.在一个实施方式中，所述管座内还设置有分压限位框、pcb板和碟簧组件，所述分压限位框可拆卸连接在所述管座内，各所述子模块结构设置在所述分压限位框上，所述碟簧组件压靠在各所述子模块结构上，而所述管盖压接在所述碟簧组件上，并与所述管座锁合。
20.在一个实施方式中，所述管座底面为镂空结构且具有台阶，用于定位所述子模块结构，且所述子模块结构中的下导电基板压接封装后高出所述管座下表面。
21.在一个实施方式中，所述管座上还嵌套有引出管和金属连接片，所述金属连接片作为所述功率模块的外部接口。
22.在一个实施方式中，所述pcb板与所述分压限位框螺纹连接，所述pcb板上还设置有金属pad，所述金属pad与所述子模块结构中的弹簧针触点一一对应；所述pcb板的另一端与所述金属连接片螺纹连接。
23.在一个实施方式中，所述分压限位框的底面与所述管座螺纹连接，所述分压限位框与所述管盖之间存在间隙。
24.在一个实施方式中，所述碟簧组件上形成有电流旁路结构，所述管盖与所述碟簧组件的上导电金属板通过压力接触，且所述管盖与所述管座焊接密封。
25.在一个实施方式中，所述管座的材料为陶瓷或者树脂；和/或，所述分压限位框的材料为环氧树脂；和/或，所述管盖的材料为无氧铜。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：
27.1.本发明的子模块结构中多个芯片与下导电基板通过一次焊接完成，优化了封装工艺，简化了封装流程，提升效率，降低制造成本；
28.2.多芯片采用一次焊接工艺实现并联，焊接一致性较好，模组化程度高，便于统一测试；
29.3.由于采用侧框涂胶工艺，简化了侧框结构，实现对芯片关键部位绝缘保护；
30.4.且上述的绝缘胶接触的是塑料侧框，材料热膨胀系数基本一致，粘附性可以满足要求，塑料侧框很难和芯片脱附，提高了绝缘保护可靠性；
31.5.本发明提供的功率模块中子模块的并联数量可根据需求调整，兼容弹簧压接和直接压接封装结构，利于压接式igbt模块平台化推进。
附图说明
32.附图仅为参考与说明之用，并非用以限制本发明的保护范围。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
33.图1是本发明的一个实施例中子模块结构的分解示意图；
34.图2是本发明的一个实施例中子模块结构的组装图；
35.图3是图2中a-a向的剖面图；
36.图4是图3中i部分的放大图；
37.图5是本发明的一个实施例中igbt子模块的电路拓扑图；
38.图6是本发明的一个实施例中压接式功率模块的分解示意图；
39.图7是本发明的一个实施例中压接式功率模块的组装图；
40.图8是图7中a-a向的剖面图；
41.图9是图8中b部分的放大图。
42.附图标记：
43.1-下导电基板；2-芯片下侧焊片；3-芯片；4-芯片上侧焊片；5-金属垫块；6-侧框绝缘胶层；7-栅极弹簧针；8-塑料侧框；9-管座；901-金属连接片；10-分压限位框；11-pcb板；12-子模块结构；13-碟簧组件；14-管盖。
具体实施方式
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.如图1-4中所示一种子模块结构，本发明的一个实施例公开的子模块结构为半导体功率器件的一个子单元或子模块，可由其组合形成一个半导体功率器件，该功率器件包括igbt模块而不限于igbt模块。当然，上述的子模块结构本身也可以有一个或者多个芯片通过串并联的方式组成。
46.具体的，参见图1所示，该子模块结构包括一个下导电基板1、至少一个芯片3(图中为6个)、至少一个金属垫块5(图中为6个)、侧框绝缘胶层6和塑料侧框8。其中，所述至少一个芯片3通过其上下表面焊接在所述至少一个金属垫块5和所述下导电基板1之间。
47.参见图1、图3和图4所示，所述塑料侧框5为镂空结构，其镂空的个数优选与所述芯片的个数相同，且其整体置于所述至少一个芯片之上。
48.该实施例的一个关键点设计在于，结合图4示出的，所述侧框绝缘胶层6涂覆于所述至少一个芯片3的边缘与所述塑料侧框之间，实现对所述至少一个芯片的绝缘保护。
49.对塑料侧框8与芯片外圈(专业术语称为“场环区”)对应区域进行涂胶，实现对芯片3关键部位的绝缘保护，其原理是阻断芯片集电极(或frd阴极)与发射极(或frd阳极)之间的最短绝缘爬覆路径(图4中粗实线示意)，其实际绝缘爬覆路径沿塑料侧框8表面(图4中粗虚线示意)，因此降低了子模块结构在工作过程中芯片集电极(frd阴极)与发射极(frd阳
极)之间直接外部击穿的风险，提高了子模块中半导体芯片绝缘保护可靠性。
50.在一个或一些优选的实施例中，所述至少一个芯片3的下表面通过芯片下侧焊片2焊接在所述下导电基板1上，而所述至少一个芯片3的上表面通过芯片上侧焊片4焊接在所述金属垫块5上。
51.并且，所述至少一个金属垫块之间通过旁路母排连接；所述旁路母排通过弹簧针引出，且所述弹簧针设置在所述塑料侧框的侧边上。优选的，参见图2所示，所示弹簧针7为四个，分别固定在塑料侧框8的两侧边各两个。
52.上述的弹簧针的材料为铜或铍铜，而在其与所述旁路母排压接的触点上设置有镀金层。
53.在一个实施例中，所述金属垫块5的热膨胀系数与所述至少一个芯片3的热膨胀系数相匹配，所述金属垫块5材料优选为mo或者mo-cu合金或相似性能的材料。
54.所述芯片上侧焊片4和所述芯片下侧焊片2的材料优选为sn-pb合金或sn-sb合金或相似性能的材料。
55.而侧框绝缘胶层6的材料优选为硅胶或硅橡胶；所述塑料侧框8的材料为聚酯，耐高温要求为150
°
以上。
56.在一个优选的实施例中，该子模块为igbt子模块，且所述金属垫块的个数与所述至少一个芯片的个数相同，所述至少一个芯片包括igbt芯片和frd芯片；所述igbt芯片的上表面为发射极，所述igbt芯片的下表面为门极；所述frd芯片的上表面为阳极，所述frd芯片的下表面为阴极。
57.参见图1或图2所示，在一个优选实施例中，所述igbt芯片为四个，所述frd芯片为两个，所述igbt芯片相互并联，所述frd芯片与所述igbt芯片形成反并联，且上述igbt芯片和所述frd芯片形成至少一个如图5所示的电路拓扑结构。图5中，c表示igbt集电极，e表示igbt发射极，g为igbt的门极。igbt通过门极驱动信号实现功率开关、电能转换功能。
58.所述半导体芯片3，根据功率等级的需求，并排布置4个igbt芯片和2个frd芯片于下导电基板1上，实现igbt芯片并联，并反并联frd芯片，芯片之间预留间隙，保证绝缘需求，芯片下表面焊接到下导电基板平面，芯片上表面亦通过焊接工艺与发射极(frd为阳极)金属垫块5相连接；即为芯片双面焊接。
59.综上，本发明的上述实施例公开了一种基板焊接型的涂胶绝缘保护压接式的子模块结构及包括上述子模块结构的压接式功率模块，在上述的子模块结构中半导体芯片3上表面焊接在金属垫块5上，芯片3下表面均通过焊片焊接在同一个导电基板上，根据电流电压等级需要布置子模块中igbt和frd芯片的数量，实现多半导体芯片并联，导电基板大小和金属垫块数量可以根据多芯片布局结构来调整。该子模块可进一步并联封装形成功率模块。
60.上述结构的优点包括但不限于如下的几点：igbt和frd芯片通过焊片焊接在同一导电基板上，导电基板同时是与外界主要散热交互部件，整体散热效果好，且多芯片通过一次焊接在导电基板上，可制造性更好，产片流片效率更高；采用子模块塑料侧框涂胶工艺取代灌封成型工艺，结构简单，可靠性更高；多芯片并联封装子模块，提升了封测效率；子模块还可进一步并联形成一个满足用户需要的功率模块；其结构紧凑，简化了工艺流程，模组化程度高，可兼容制造性强，有利于压接式功率模块实现平台化推进。
61.本发明的另一方面的实施例还公开了一种压接式功率模块，参见图6-9所示，该压接式功率模块至少包括管座9和管盖14，而在所述管座9和管盖14内压接有至少一个根据上述任一项所述的子模块结构12，具体的，所述压接的方式包括弹簧压接或者直接压接。
62.上述的功率模块可以是弹簧压接模块或直接压接模块，功率模块的外形尺寸也可根据并联的子模块结构12的数量来调整。
63.在一个优选的实施例中，结合图6所示，所述管座9内还设置有分压限位框10、pcb板11和碟簧组件13，其中，所述分压限位框10可拆卸如通过螺栓连接在所述管座9内，各所述子模块结构12设置在所述分压限位框10上，而所述pcb板可拆卸地连接在所述分压限位框上，然后所述碟簧组件13压靠在各所述子模块结构12上，而所述管盖14压接在所述碟簧组件13上，并与所述管座锁合，并压紧内部的各元件。
64.在一个优选实施例中，所述管座9内底面为镂空结构且具有台阶，用于定位所述子模块结构12，且所述子模块结构12中的下导电基板1则压接封装后高出所述管座9下表面。
65.在一个实施例中，所述管座上还嵌套有引出管和金属连接片901，所述金属连接片901作为所述功率模块其中一个电极的外部接口。
66.优选的，所述pcb板11与所述分压限位框10通过螺纹连接，所述pcb板11上还设置有金属pad衬垫，所述金属pad与所述子模块结构12中的弹簧针7触点一一对应；而所述pcb板11的另一端与所述金属连接片901螺纹连接。
67.并且，所述分压限位框的底面与所述管座螺纹连接，且如图9所示，所述分压限位框与所述管盖之间存在间隙δx，该间隙在碟簧组件13受压行程收缩后补偿，用于承受外部多余压力，保护压接式子模块结构及内部的芯片结构。
68.根据电路设计需要，所述碟簧组件13上形成有电流旁路结构，所述管盖14与所述碟簧组件的上导电金属板通过压力接触，且所述管盖与所述管座优选通过通过冷压焊或氩弧焊等方式实现焊接密封，从而使得该管盖成为功率模块的另一个电极。
69.优选的，所述管座9的材料优选为陶瓷或者树脂；所述分压限位框10的材料优选为环氧树脂；所述管盖14的材料优选为无氧铜。
70.优选实施例
71.该优选实施例以igbt子模块结构和由其组成的igbt功率模块为例，以六个芯片个数为例，对上述的结构做详细说明。
72.首先对部分术语进行说明：
73.igbt：一种功率半导体开关器件，全称绝缘栅双极晶体管；
74.frd：一种功率半导体器件，全称快速恢复二极管；
75.压接式igbt模块：igbt模块的一种封装形式——压接式封装，免引线键合、双面散热和失效短路等特点，从而具有更低的热阻、更高的工作结温、更低的寄生电感、更宽的安全工作区和更高的可靠性，主要在柔性直流输电领域应用，同时在应用环境苛刻和可靠性要求更高的场合也有竞争优势。其功率模块压力接触方式有有两种：一种是直接压接，另一种是弹簧压接。
76.金属pad：用于半导体器件封装用的一种金属衬垫。
77.如图1-4所示，本发明的实施例中，该涂胶子模块由下导电基板1，芯片下侧焊片2、半导体芯片3、芯片上侧焊片4、发射极(frd为阳极)金属垫块5、侧框绝缘胶层6、栅极弹簧针
7、塑料侧框8组成。
78.具体的，该优选实施例首先对igbt及frd芯片布局如图2所示，igbt芯片3下底面为集电极，与下导电基板1焊接；igbt芯片上表面为发射极，与发射极(frd为阳极)金属垫块5焊接，发射极金属垫块5通过旁路母排结构与外部结构连接，其中门极起信号驱动作用，通过弹簧针7引出，与外部结构连接。frd芯片上表面为阳极，下底面为阴极，同样通过焊片分别与金属垫块5和下导电基板1连接，实现与igbt芯片反并联。其中，下导电基板1是既子模块集电极接口，同时是主散热接口。
79.如图4中局部放大图所示，封装过程中，对塑料侧框8与芯片外圈对应的“场环区”进行涂胶，实现对芯片3关键部位的绝缘保护，其原理是阻断芯片集电极(frd阴极)与发射极(frd阳极)之间的最短绝缘爬覆路径(图中粗实线示意)，其实际绝缘爬覆路径沿塑料侧框表面(图中粗虚线示意)，因此降低了子模块工作过程中芯片集电极(frd阴极)与发射极(frd阳极)之间直接外部击穿的风险，提高了子模块半导体芯片绝缘保护可靠性。
80.具体的，所述下导电基板1和发射极(frd为阳极)金属垫块5，其热膨胀系数需要与半导体芯片(通常是硅)相匹配，且需要保证一定的平面度，材料为mo，或者mo-cu合金。所述芯片下侧焊片2、芯片上侧焊片4需具有良好的热导特性和电导特性，焊接后保证焊层的均匀性和一致性，其材料通常sn-pb合金或sn-sb合金。
81.所述半导体芯片3，根据功率等级的需求，并排布置4个igbt芯片和2个frd芯片于下导电基板1上，实现igbt芯片并联，并反并联frd芯片，芯片之间预留间隙，保证绝缘需求，芯片下表面焊接到下导电基板平面，芯片上表面亦通过焊接工艺与发射极(frd为阳极)金属垫块5相连接，实现芯片双面焊接。
82.所述侧框绝缘胶层6对芯片关键部位的绝缘保护，其热膨胀系数与侧框很相近，材料一般为硅胶或硅橡胶。
83.所述栅极弹簧针7，将每一个芯片的栅极引出，与外部电路连接，其材料通常为铜或则铍铜，触点处镀金处理。
84.所述塑料侧框8，与半导体芯片3边缘连接处涂硅橡胶，实现芯片关键部位的绝缘保护，其材料一般为高耐温的聚酯材料，耐温要求150℃以上。
85.为了进一步提升电流等级以满足应用需求，可由一定数量子模块并联封装形成功率模块；该功率模块可以采用弹簧压接结构，或直接压力接触结构；本发明的实施例中，其功率模块由6个压接式igbt子模块并联而成，封装结构为弹簧压接结构，如图6-9所示。
86.具体的该功率模块包括管座9、分压限位框10、pcb板11、压接式igbt子模块12、碟簧组件13、管盖14。
87.具体的，管座9底面为镂空结构且具有台阶，可用于定位压接式igbt子模块12，压接式igbt子模块12中的下导电基板1压接封装后高出管座9下表面，作为该压接式igbt功率模块的集电极接口直接与外部电路及散热结构实现电、热互连；所述管座9材料一般为陶瓷或树脂材料；管座9上嵌套门极引出管和门极金属连接片901，用于引出压接式igbt功率模块内部门极信号，并作为该功率模块的外部接口；门极连接金属片材料一般为铜。
88.分压限位框10底面与管座9螺栓连接，上表面与管盖14存在间隙δx，间隙在碟簧组件13受压行程收缩后补偿，用于承受外部多余压力，保护压接式igbt子模块及芯片结构。pcb板11与分压限位框10螺栓连接，在碟簧组件13行程收缩后，承受部分压力，pcb板11上分
布有金属pad，与压接式igbt子模块12中弹簧针7触点一一对应，在压力下形成稳定互连；所述pcb板11另一端与管座9上门极金属连接片901通过螺栓连接，引出内部门极信号；所述分压限位框10材料一般为环氧树脂。
89.碟簧组件13是弹簧压接式igbt功率模块结构中的关键部件，具有行程大、刚度可变的特点，具有较好的压力补偿作用；所述碟簧组件同时具有电流旁路结构，形成导电路径。管盖14与碟簧组件13上导电金属板通过压力接触，管盖14为该压接式igbt功率模块的发射极接口；所述管盖14最终通过冷压焊或氩弧焊的方式与管座9焊接密封，保护内部结构；所述管盖14材料一般为无氧铜。
90.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“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
91.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
92.在发明的描述中，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
93.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。