专利名称：一种改进的表面封装的大功率半导体封壳及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的封壳及其引线框架，更具体地说，涉及一种适于表面封装的大功率半导体器件。
公知的大功率半导体器件的封壳能在绝缘金属基片(IMS)或其它的平支撑板面上进行表面封装。在美国专利申请流水号No.08/583,219中公开了这样的一个组件，申请日是1996年1月4日，发明名称是“表面封装的半导体封壳”，作为参考其包含在本申请中。这样的封壳很好地适于对有导电图形的平支撑板，如绝缘金属基片结构，进行表面封装。(一种覆盖薄绝缘膜的厚铜或铝基片，该膜具有一薄的形成图形的铜或其它导电可焊接的上表面)。
本发明是对美国专利申请号No.08/583,219所示器件的一种改进，使之更有效和更便于制造。
根据本发明，它提供一种新型引线框架，该框架在一个中心平坦的基片部能容纳一个或多个半导体芯片，如功率金属氧化物半导体场效应管芯片，IGBT芯片，快速再生二板管芯片，肖特基二板管芯片及其混合芯片。该芯片在它们的底面与基板相连接，在它们的顶部与适合的引线相连接。引线框架具有两个电源端子，它们位于一个方形封壳的两个相邻的拐角处并能相互连接。电源端子便于与一扁平塑料模制壳体相连接，该壳体能密封中央引线框架基板的顶端和侧边。多个控制管脚或端子，他们起初是引线框架的一部分，但是在壳体制模后，从散热片中分离出来，并从与含有电源端子侧边相对的壳体的侧边向外延伸。
至少设有两个间隔相近的控制端子或管脚，它们能与壳体中芯片的栅极和阴极或电流流向端子相电连接。一个第三远端子(远离间隔相近的第一和第二控制端子)也能和其它的端子相连接，例如与可控硅芯片的栅极相连接，如果在壳体中含有这种芯片。
引线框架最好是一个单层薄导电板。延伸出模制壳体边缘的端子一部分可能垂直偏移，以便为引线框架形成一个改进的塑料固定件。端子的底面与引线框架的基板在同一平面上。主散热片设有平行的槽，这些槽能穿越基板上的芯片的相对侧面，以便给模制壳体形成另一个塑料固定件。浅燕尾槽能从这些槽一个内边缘向基板的一端或两端延伸，这样也能形成改进的塑料固定件。
基板表面是具有一个不平坦的或有皱纹(waffled)的表面，以改进底部芯片表面电极与基板的焊接。能与放热片或IMS板的导电图形进行表面封装的基板的底面也是起皱不平的，以提高基板与散热片的焊接质量，从而避免焊缝的形成。
绝缘壳体的底面也设有完全横跨组件宽度的冲洗槽，并与含有输入和输出端子的侧边相平行，且位于端子和基板之间。这些槽增加了端子与基板之间的表面径向距离，且在下焊过程中冲洗出焊液。
根据本发明的另一个特征，短薄搁板从冲洗槽的底端延伸，横跨壳体底部的宽度，以提高焊液的冲洗功能。
如上所述，各个端子管脚的一部分被垂直切断或偏移以改善塑料固定件的功能。根据本发明的另一个特征，在偏移区的部分圆形边缘没有一小方形凹槽或阶梯角从而形成一个陡沿，以便在制模过程中避免塑料通过端子的底面泄漏出去。
根据本发明的另一个特征，端子在紧靠塑料壳体的外侧，其侧面相邻部设有细长的可压偏的圆凸起，这些圆凸起在一模具封盖时能向内挤压，从而形成一个能避免制模塑料通过伸出壳体的端子的侧边泄漏出去的密封口，该封口可能影响端子的焊接。
根据本发明的又一个特征，一整块引线框架栓条在壳体内部连接位于壳体两个拐角处的电源输入端子。壳体内芯片的引线接头可做成这种专门的栓条，该栓条包含在壳体中。这种栓条能改进电线接头的连接，而且还可作为壳体的一个塑料固定件。
本发明的其它特征和优点，从下面参见附图的描述将会变得更清楚。
图1是本发明最佳实施例封壳的俯视图；图2是本发明最佳实施例封壳的仰视图；图3是本发明最佳实施例封壳的侧视图；图4是本发明最佳实施例封壳的电源端子的侧视图；图5是安装在图1至4中封壳上的IMS支撑板的纵剖视图；图6是用于图1至4中封壳上的引线框架的俯视图；图7是沿图6中线7-7的纵剖视图；图8是图6中引线框架的仰视图9是图7中圆圈“A”的放大视图；图10是图3中圆圈“B”的放大视图，显示出控制端子与塑料壳体的锁定及新型的冲洗槽结构；图11是本发明最佳实施例平单层薄板引线框架的一部分视图，且端子接头未产生偏移；图12是在端子接头产生偏移后，图11中引线框架的视图；图13是图12中在角区“C”处一个阶形端角的形状的视图，该阶形端角能避免在制模过程中，塑料通过端子的底面渗漏；图14是图6中圆圈“D”的放大视图，显示从引线框架内的塑料锁狭槽的端部延伸的塑料锁冲洗槽图；图15是沿图14中线15-15的剖视图；图16是一个被分开的引线框架端子的俯视图，它还显示在端子侧面能被垂直压偏的圆凸缘，这些圆凸缘能密封模具以避免塑料渗漏至端子外露的焊接面中；图17是图16的侧视图；图18显示出半导体芯片焊接到基板上，且用引线使芯片与外端子相连接的引线框架的视图还显示出在模制壳体(未示)成形之后，引线框架成适合状态的视图；图19是图18的电路框图；图20是图1中沿线20-20并且包含了一个“U”型散热片的封壳的纵剖视图。
首先，参见图1至4，它们是本发明最佳实施例的表面封装的封壳的外视图，它由一模制的绝缘塑料壳体30组成，该壳体是细长的方形的，包括上表面和一单层薄板引线框架的端部，该引线框架可以是常用的大约为1.27mm厚的铜合金。在最佳实施例中，壳体30大约长为29mm，宽为14.2mm，高为4.27mm。引线框架参见图6、7、8下面作详细描述。引线框架部件在图1至4中包括引线框架散热片31，位于方形壳体30一端拐角的电源端子32和33，及壳体对端的控制端子或管脚34、35和36。端子32至36伸出壳体侧边大约1mm。端子34和35最好间距较近，如二者中心的间距大约为2.5mm，而端子35和36最好间距稍宽些，如其二者中心的距离大约为6.0mm。
如图3所示，基板31的底部与端子32至36是其平面的，它们能与散热片支撑板(如IMS板)的模制表面相连接。图5是一种常用IMS板的纵剖视图，它由覆盖了一层很薄的绝缘聚合物41的较厚的热传导(铜或铝合金)板40组成。在绝缘层41的上部设有一模制薄的导电焊接层42。层42可设制成任何所需的形状，但是，在图5中层42被分成一段部42a和数个与端子32至36为同一直线的分块。如图5所示，例如只有分块42b和42c分别与端子32和34为同一直线。这样就会在使用正常的焊接技术的情况下，对图1至4中的封壳的底部与图5中的IMS板的焊接变得非常方便。
如图1和20所示，在俯视和侧视时，基板31伸出壳体30。具体地说，基板部31a和31b从壳体30的侧边侧向伸出。这种侧向伸出的基板部31a和31b形成了一个增大了的散热片接触面，从而能使基板31，例如，与一个用于整个封壳更好地散热的“U型”散热片31c相连接。最好情况是，“U型”散热片31c能焊接到基板部31a、31b上。
为了协助和改进焊料向下运作，在塑料壳体30的底部设有并贯穿其底部的焊液冲洗凹槽50和51(图2和3)，这两个凹槽分别位于基板31的对边与端子32至33及34至36行线之间，并与它们相平行。槽50和51最好有一个弯曲的横截面，其半径大约为0.4mm。这些凹槽在焊料向下运作完成之后，对冲洗焊液十分有帮助作用，它们还增加了基板31与端子32至36之间经过塑料壳体表面的径向距离。
为了提高冲洗焊液的功能，如图10所示，设有短浅搁板60和61是十分有效的，搁板60和61厚度大约为0.1mm，它们能保证每个冲洗槽50和51是隔开的，并在组件焊接于基板上方是开口的。
在容纳芯片或壳体之前，引线框架如图6、7、8所示。在充分制模后端子34至36与端子32、33及基板31是相互分开的，基板31和端子32至36是引线框架的组成部分，并由分开的分块连接在一起。引线框架还设有使电源端子32和33相连接的大横条70(图6至8和18所示)，该横条还用作一个塑料固定以便使引线框架与塑料壳体30相连接固定。横条70也作为引线连接连接面，如图18和19所示。
基板部31设有两个平行的细长狭槽71和72(如图6至8、14和15所示)，这两槽在制模过程中填充塑料，同时还形成一个塑料固定件以能使基板与壳体30相固定。特设短倒钩73和74分别从狭槽71和72的内侧向外延伸，还能形成另一个塑料固定件以便进一步使引线框架基板31与塑料壳本相互固定。
为了进一步形成一个塑料固定件，燕尾槽80至83(图6、14、15所示)从基板31的上表面上的狭槽71和72的端部延伸至基板的端部，这些燕尾槽在制模过程中填充塑料以便进一步使基板31与壳体相互固定。
应该指出的是，基板31的上表面中央部分是一个“皱纹”状不平的表面85。基板31的上表面镀了一层镍，还设有间隔浅凹坑(深度最好大约为0.05mm)，最好是直径大约为0.25mm中心相距大约为0.6mm的圆凹坑。大家所熟知的是这种皱纹不平的形状能提高芯片与皱面的焊接。根据本发明最佳实施例的另一个方面，基板31的另一对面也设置成皱纹状86(图8)。这个表面通常是平滑的，但发现出如果这个表面稍微成凹面时，在下焊过程中，能避免焊缝的形成。通过增加他们之间湿润度和焊液流量，在凹形引线框架底表面上的皱形状能提高其与平散热片表面的焊接效果。
图11是设有基板31和端子36的引线框架的部分剖视图。该框架原来是一个上、下表面都是较平滑的框架。现得知通过部分压模，使引线框架端子部稍微产生移位，如图12所示端子能更好地与塑料壳体30相固定。对于1.27mm厚的引线框架，所用的实际偏移量大约为0.5mm。还得知，在制模过程中(在偏移过程后)，塑料能通过端子36的下表面和其它偏移端子32至35一点点地流向图12中“C”部的圆端。还可知，在每个端子拐角“C”压模出的一个方形凹槽95(图9和13所示)能避免不期望的塑料的渗透，凹槽95最好通过剪切材料(与折弯材料相反)形成，因为这样的方法不需要额外的侧向空间。
凹槽95深度约为0.2mm，长度约为0.3mm。每个偏移端子32至36的凹槽95如图6和7所示。
根据该新组件的又一特征，伸出塑料壳体30的每个管脚或端子具有一个或多个从端子厚度方向(即侧面)伸出的圆凸起。圆凸起100，101的厚度应根据引线框架的厚度而变化。通常圆凸起100，101厚度为0.05～0.5mm。因此，如图16和17所示，两个可压扁的圆凸起100，101，其半径，例如为0.2mm(对于1.2mm厚的引线框架)，易于借助模具被压扁或部分压平，从而能避免塑料流出圆凸起100，101所限定的界边。如图6和7所示，可压扁的圆凸起全部设置在引线框架上。
图18是两个同组的半导体芯片110，111在焊接到基板31后的引线框架基板31的视图。同组的芯片110，111可以是任何类型的，但在图18和19中，他们分别是功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和快速恢复二极管(FRED)。
需要指出的是，在图19中，IGBT110的集电板与FRED111的阴极相连接，因为这些电极是与导电基板31相焊接的，并通过基板31相连接。因此导电基板31设成一个用于同组件与外部电路形成电连接的部件。IGBT110的发射设用引线112与FRED二极管111的阴极相连接。导线113继续连续横条70和端子32、33。
此外，导线115用于连接IGBT110的栅极和栅极端子35，如图18所示，在端子34上也设有一发射板Kelvin连接线116。
本发明最佳实施例的前面描述能够表明说明书和图示的目的。上述公开的技术方案，不是想要穷举或限制本发明。根据以上说明可对本发明作许多修改和变化。可以认为，本发明的保护范围不是由前面详细描述所限定的，而是由后面权利要求所限定。
权利要求
1.一种表面封装的半导体封壳，它包括一半导体器件；一封装了半导体器件的金属基板；一塑性材料制成的壳体，它在固化以后能与金属基板连接，并能封装半导体器件，该壳体至少包含一个冲洗槽，该冲洗槽横跨壳体底部，并延伸于壳体的相对侧边，冲洗槽至少沿其一边缘设有搁板，搁板厚度比冲洗槽浅。
2.如权利要求1所述的表面封装的半导体封壳，其特征在于该封壳还包括一个或多个共平面的，与金属基板远离相距的端子，冲洗槽位于金属基板与端子之间。
3.一种表面封装的半导体封壳，它包括一半导体器件；一封装了半导体器件的金属基板；一塑性材料制成的壳体，它在固化以后能与金属基板连接，并能封装半导体器件；一横条；至少有第一和第二端子，第一和第二端子共平面，并与金属基板相远距离，第一与第二端子相互间隔，并由横条连接在一起，横条与金属基板相锁定，在壳体的塑性材料固化后第一、第二端子及壳体一起形成。
4.如权利要求3所说的表面封装的半导体封壳，其特征在于金属基板沿其边侧至少设有一个槽，该槽能填充壳体的塑性材料，并在壳体固化后，它能使金属基板与壳体相固定。
5.如权利要求4所述的表面封装的半导体封壳，其特征在于该槽包括一个从槽内壁延伸的倒钩，该倒钩填入壳体材料，并能使金属基板与壳体相互固定。
6.如权利要求3所述的表面封装的半导体封壳，其特征在于，该金属板至少沿其一边侧的至少一部分设有一个燕尾槽，该槽能填充壳体的塑性材料，在壳体固化后，能使金属基板与壳体相互固定。
7.一种表面封装的半导体封壳，它包括一半导体器件；一封装了半导体器件的金属基板；一塑性材料制成的壳体，它在固化以后能与金属基板相连接，并能封装半导体器件；至少一个与金属基板相远距的端子，该端子一部分与金属基板其平面，一部分偏移，该端子还具有沿共平面部的底部侧设有一个凹槽，以免在壳体固化后，壳体的塑性材料流向共平面部的底面。
8.一种表面封装的半导体封壳，它包括一半导体器件；一封装了半导体器件的金属基板；一与金属基板相连接，并封装了半导体器件的壳体，金属板包括伸出壳体侧边的侧伸部，以此增加组件的散热效果，还便于提供一个散热片与组件相固定的上表面，金属基板还包括一个在基片上用于安装的底表面。
9.如权利要求8所述的表面封装的半导体封壳，其特征在于金属基板包括第一和第二侧伸部，第一例伸部伸出壳体的一例边，第二侧伸部伸出壳体的另一相对的侧边，散热片与第一和第二侧伸部相连接固定。
10.如权利要求9所述的表面封装的半导体封壳，其特征在于该散热片是“U型”状的。
全文摘要
一种表面封装的半导体封壳包括设置在塑料壳体的底表面的冲洗槽。该封壳还设有用于使塑料壳体与封装了半导体器件的金属基板相锁定的固定件,其中的固定件包括端于之内的一横条,位于金属基板上含有倒钩的凹槽,在金属基板设置的燕尾槽。金属基板设有一个皱面以改进与基片的连接。该封壳还包括端子偏移部以提供能使塑料壳体材料填充的空间,从而能改进端子的封装。金属基板伸出塑料壳体的侧边,以提高散热效果及提供一个连接散热片的表面。
文档编号H01L23/02GK1179626SQ9712055
公开日1998年4月22日 申请日期1997年9月5日 优先权日1997年9月5日
发明者P·R·爱维尔, A·乌德沃尔思 申请人:国际整流器公司