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CN115132713B - 一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法 - Google Patents

一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法，包括底面热传金属块，四个侧壁热传金属块呈矩形阵列设置于底面热传金属块的边侧，四个侧壁热传金属块的内侧均设置有第二芯体组件，形成三维空间排布的芯体组件分布结构，第一芯体组件和第二芯体组件之间形成有通过电极引线连接的电路，连接组件用于对四个侧壁热传金属块和底面热传金属块进行连接限定形成整体热传金属结构。本发明提供一种三维空间排布的功率芯片封装的模块结构，同时采取了三维立体空间内多维度的功率芯片的焊接组装和电极连接，有利于大功率半导体功率模块的体积缩小、高集成度组装、可靠性提高以及成本降低。

Description

一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备 方法
技术领域
本发明涉及功率半导体领域，特别涉及一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法。
背景技术
随着技术进步、政策扶持以及企业投入增加，对新能源车内部的电机驱动器、功率模块、控制器等核心电机驱动系统提出了高功率密度、小体积、高级程度等创新型要求，对于电动汽车的电器驱动系统，SiC、IGBT等功率器件是核心电力转换部件，目前采用的Si基IGBT模块开关损耗比较大，体积较大，造成设备耗能增加，系统体积较大，对于汽车整车的系统集成、高密度设计以及高效率低成本的汽车运行都带来了较大的障碍，随着第三代半导体SiC器件及封装技术地快速发展和众多技术优势，使用SiC做为核心器件的电控功率模块已经广泛应用于新能源车的电机驱动领域。
目前功率模块内部主回路主要采用键合线方式进行电气互联，内部功率芯片焊接在陶瓷覆铜基板上，覆铜基板焊接在散热底板上，进行底板单面散热。对于大功率的应用领域，半导体模块所使用的SiC或IGBT等功率器件数量较多，造成功率模块底板尺寸相应成比例增大，使得功率模块体积增大，系统重量增加，系统的生产成本和封装成本都大幅度升高，同时大尺寸模块也造成整车系统的安装设计环节复杂度夹具，功率模块的安装、端口连接、散热设计、可靠性等环节都相应面临更复杂、低效率、高成本的设计需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法，包括：
底面热传金属块，其顶部设置有第一芯体组件；
四个侧壁热传金属块，其呈矩形阵列设置于底面热传金属块的边侧，四个所述侧壁热传金属块的内侧均设置有第二芯体组件，形成三维空间排布的芯体组件分布结构，所述第一芯体组件和第二芯体组件之间形成有通过电极引线连接的电路，形成三维空间排布的电极连接电路结构；
四个连接组件，其设置于四个侧壁热传金属块和底面热传金属块之间，所述连接组件用于对四个侧壁热传金属块和底面热传金属块进行连接限定形成整体热传金属结构。
优选的，所述第一芯体组件包括第一覆铜基板，所述第一覆铜基板表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，所述第一覆铜基板的底部与底面热传金属块固定连接，所述第一覆铜基板的顶部的覆铜层上固定连接有多个第一功率芯片和第一电极端子，所述第一功率芯片和第一电极端子之间通过电极引线形成电路，所述第一覆铜基板的一侧的覆铜层上固定连接有与所述第一功率芯片一一对应的第一驱动端子；
所述第二芯体组件包括第二覆铜基板，所述第一覆铜基板表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，所述第二覆铜基板的一侧与侧壁热传金属块固定连接，所述第二覆铜基板的另一侧的覆铜层上固定连接有多个第二功率芯片和第二电极端子，所述第二功率芯片和第二电极端子之间通过电极引线形成电路，所述第二覆铜基板的一侧的覆铜层上固定连接有与所述第二功率芯片一一对应的第二驱动端子；
所述第一功率芯片与第二功率芯片之间形成三维空间排布的功率芯片分布结构；
所述第一电极端子与第二电极端子之间形成三维空间排布的电极端子分布结构；
所述第一驱动端子与所述第二驱动端子之间形成三维空间排布的驱动端子分布结构。
优选的，所述绝缘陶瓷层的其中一面的覆铜层用于间隔芯片电极连接。
优选的，所述电极引线的两端分别与相对应的第一电极端子和第二电极端子电性连接。
优选的，所述功率芯片为SiC MOSFET芯片或者IGBT芯片。
优选的，所述连接组件为机械连接件，具体包括连接金属板，所述连接金属板设置于两个相邻的侧壁热传金属块之间，所述连接金属板相邻的两个边侧均固定连接有卡块，所述侧壁热传金属块顶部的两边侧均开设有卡槽，所述卡块的外壁与卡槽的内腔滑动卡接。
优选的，所述侧壁热传金属块底部的一侧固定连接有两个定位杆，所述底面热传金属块的四个边侧均开设有定位槽，所述定位杆的外壁与定位槽的内腔滑动卡接。
优选的，所述连接组件还可以为焊料焊接结构或胶水粘接结构。
优选的，包括功率半导体封装模块结构制备步骤：
S1:将第一覆铜基板通过焊料焊接于底面热传金属块表面，将所述第二覆铜基板通过焊料焊接于侧壁热传金属块表面；
S2:将第一功率芯片和第二功率芯片分别通过焊料焊接于第一覆铜基板和第二覆铜基板的覆铜层；
S3:将第一驱动端子和第二驱动端子分别通过焊料焊接于第一覆铜基板和第二覆铜基板的覆铜层；
S4:将底面热传金属块和侧壁热传金属块通过焊接、粘接或者机械件连接的方式，进行一体式组装；
S5:将第一电极端子和第二电极端子分别通过焊线或扎线的方式进行电子线路连接；
S6:将一体式组装后的整体结构进行塑封树脂灌封保护。
本发明的技术效果和优点：
(1)本发明提供一种三维空间排布的功率芯片封装的模块结构，同时采取了三维立体空间内多维度的功率芯片的焊接组装和电极连接，有利于大功率半导体功率模块的体积缩小、高集成度组装、可靠性提高以及成本降低；
(2)本发明利用底面热传金属块、四个侧壁热传金属块和四个连接组件配合使用，连接组件包括连接金属板、两个卡块和两个定位杆，两个定位杆可以使侧壁热传金属块与底面热传金属块避免上下移动，连接金属板和卡块可以对侧壁热传金属块进行水平限定，从而保证底面热传金属块和侧壁热传金属块连接的稳定性，并且当其组件完成，使用塑封树脂灌封之后，就可以再次对连接金属板、卡块、第一金属板和第二金属板进行位置限定，进而保证其组装的稳定性。
附图说明
图1为本发明俯面结构示意图。
图2为本发明正面内部结构示意图。
图3为本发明侧壁热传金属块正面结构示意图。
图4为本发明图1中A处放大结构示意图。
图中：1、底面热传金属块；2、第一芯体组件；21、第一覆铜基板；22、第一功率芯片；23、第一电极端子；3、侧壁热传金属块；4、第二芯体组件；41、第二覆铜基板；42、第二功率芯片；43、第二电极端子；44、第二驱动端子；5、电极引线；61、连接金属板；62、卡块；63、定位杆。
具体实施方式
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。
本发明提供了如图1-4所示的一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构及制备方法，包括：
底面热传金属块1，其顶部设置有第一芯体组件2。
四个侧壁热传金属块3，其呈矩形阵列设置于底面热传金属块1的边侧，四个侧壁热传金属块3的内侧均设置有第二芯体组件4，形成三维空间排布的芯体组件分布结构，第一芯体组件2和第二芯体组件4之间形成有通过电极引线5连接的电路，形成三维空间排布的电极连接电路结构。
四个连接组件，其设置于四个侧壁热传金属块3和底面热传金属块1之间，连接组件用于对四个侧壁热传金属块3和底面热传金属块1进行连接限定形成整体热传金属结构。
第一芯体组件2包括第一覆铜基板21，第一覆铜基板21表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，第一覆铜基板21的底部与底面热传金属块1固定连接，第一覆铜基板21的顶部的覆铜层上固定连接有多个第一功率芯片22和第一电极端子23，第一功率芯片22和第一电极端子23之间通过电极引线5形成电路，第一覆铜基板21的一侧的覆铜层上固定连接有与第一功率芯片22一一对应的第一驱动端子。
第二芯体组件4包括第二覆铜基板41，第一覆铜基板21表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，第二覆铜基板41的一侧与侧壁热传金属块3固定连接，第二覆铜基板41的另一侧的覆铜层上固定连接有多个第二功率芯片42和第二电极端子43，第二功率芯片42和第二电极端子43之间通过电极引线5形成电路，第二覆铜基板41的一侧的覆铜层上固定连接有与第二功率芯片42一一对应的第二驱动端子44。
第一功率芯片22与第二功率芯片42之间形成三维空间排布的功率芯片分布结构，第一电极端子23与第二电极端子43之间形成三维空间排布的电极端子分布结构，第一驱动端子与第二驱动端子44之间形成三维空间排布的驱动端子分布结构，绝缘陶瓷层的其中一面的覆铜层用于间隔芯片电极连接，电极引线5的两端分别与相对应的第一电极端子23和第二电极端子43电性连接，功率芯片为SiC MOSFET芯片或者IGBT芯片。
连接组件为机械连接件，具体包括连接金属板61，连接金属板61设置于两个相邻的侧壁热传金属块3之间，连接金属板61相邻的两个边侧均固定连接有卡块62，侧壁热传金属块3顶部的两边侧均开设有卡槽，卡块62的外壁与卡槽的内腔滑动卡接，侧壁热传金属块3底部的一侧固定连接有两个定位杆63，底面热传金属块1的四个边侧均开设有定位槽，定位杆63的外壁与定位槽的内腔滑动卡接，定位杆63可以使侧壁热传金属块3与底面热传金属块1在上下方向保持稳定状态，连接金属板61和两个卡块62可以对相邻的两个侧壁热传金属块3进行位置限定，避免其滑动，从而保证四个侧壁热传金属块3与底面热传金属块1连接的稳定性，并且当其组装完成之后，使用塑封树脂进行密封保护时，塑封树脂可以再次对其位置限定，进而保证其连接的稳定性。
连接组件还可以为焊料焊接结构或胶水粘接结构。
本发明工作原理：将第一覆铜基板21通过焊料焊接于底面热传金属块1表面，将第二覆铜基板41通过焊料焊接于侧壁热传金属块3表面；
将第一功率芯片22和第二功率芯片42分别通过焊料焊接于第一覆铜基板21和第二覆铜基板41的覆铜层；
将第一驱动端子和第二驱动端子44分别通过焊料焊接于第一覆铜基板21和第二覆铜基板41的覆铜层；
将底面热传金属块1和侧壁热传金属块3通过焊接、粘接或者机械件连接的方式，进行一体式组装；
将第一电极端子23和第二电极端子43分别通过焊线或扎线的方式进行电子线路连接；
将一体式组装后的整体结构进行塑封树脂灌封保护。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构，其特征在于，包括：
底面热传金属块（1），其顶部设置有第一芯体组件（2）；
四个侧壁热传金属块（3），其呈矩形阵列设置于底面热传金属块（1）的边侧，四个所述侧壁热传金属块（3）的内侧均设置有第二芯体组件（4），形成三维空间排布的芯体组件分布结构，所述第一芯体组件（2）和第二芯体组件（4）之间形成有通过电极引线（5）连接的电路，形成三维空间排布的电极连接电路结构；
四个连接组件，其设置于四个侧壁热传金属块（3）和底面热传金属块（1）之间，所述连接组件用于对四个侧壁热传金属块（3）和底面热传金属块（1）进行连接限定形成整体热传金属结构；
所述第一芯体组件（2）包括第一覆铜基板（21），所述第一覆铜基板（21）表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，所述第一覆铜基板（21）的底部与底面热传金属块（1）固定连接，所述第一覆铜基板（21）的顶部的覆铜层上固定连接有多个第一功率芯片（22）和第一电极端子（23），所述第一功率芯片（22）和第一电极端子（23）之间通过电极引线（5）形成电路，所述第一覆铜基板（21）的一侧的覆铜层上固定连接有与所述第一功率芯片（22）一一对应的第一驱动端子；
所述第二芯体组件（4）包括第二覆铜基板（41），所述第一覆铜基板（21）表面设置有绝缘陶瓷层和设置于绝缘陶瓷层上下两面的覆铜层，其中，所述第二覆铜基板（41）的一侧与侧壁热传金属块（3）固定连接，所述第二覆铜基板（41）的另一侧的覆铜层上固定连接有多个第二功率芯片（42）和第二电极端子（43），所述第二功率芯片（42）和第二电极端子（43）之间通过电极引线（5）形成电路，所述第二覆铜基板（41）的一侧的覆铜层上固定连接有与所述第二功率芯片（42）一一对应的第二驱动端子（44）；
所述第一功率芯片（22）与第二功率芯片（42）之间形成三维空间排布的功率芯片分布结构；
所述第一电极端子（23）与第二电极端子（43）之间形成三维空间排布的电极端子分布结构；
所述第一驱动端子与所述第二驱动端子（44）之间形成三维空间排布的驱动端子分布结构；
所述电极引线（5）的两端分别与相对应的第一电极端子（23）和第二电极端子（43）电性连接；
所述绝缘陶瓷层的其中一面的覆铜层用于间隔芯片电极连接；
所述功率芯片为SiC MOSFET芯片或者IGBT芯片。
2.根据权利要求1所述的一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构，其特征在于，所述连接组件为机械连接件，具体包括连接金属板（61），所述连接金属板（61）设置于两个相邻的侧壁热传金属块（3）之间，所述连接金属板（61）相邻的两个边侧均固定连接有卡块（62），所述侧壁热传金属块（3）顶部的两边侧均开设有卡槽，所述卡块（62）的外壁与卡槽的内腔滑动卡接。
3.根据权利要求2所述的一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构，其特征在于，所述侧壁热传金属块（3）底部的一侧固定连接有两个定位杆（63），所述底面热传金属块（1）的四个边侧均开设有定位槽，所述定位杆（63）的外壁与定位槽的内腔滑动卡接。
4.根据权利要求1所述的一种三维空间排布器件的功率半导体封装模块结构，其特征在于，所述连接组件还可以为焊料焊接结构或胶水粘接结构。
5.一种如权利要求1-4任一项的功率半导体封装模块结的构制备方法，其特征在于，包括
S1:将第一覆铜基板（21）通过焊料焊接于底面热传金属块（1）表面，将第二覆铜基板（41）通过焊料焊接于侧壁热传金属块（3）表面；
S2:将第一功率芯片（22）和第二功率芯片（42）分别通过焊料焊接于第一覆铜基板（21）和第二覆铜基板（41）的覆铜层；
S3:将第一驱动端子和第二驱动端子（44）分别通过焊料焊接于第一覆铜基板（21）和第二覆铜基板（41）的覆铜层；
S4:将底面热传金属块（1）和侧壁热传金属块（3）通过焊接、粘接或者机械件连接的方式，进行一体式组装；
S5:将第一电极端子（23）和第二电极端子（43）分别通过焊线或扎线的方式进行电子线路连接；
S6:将一体式组装后的整体结构进行塑封树脂灌封保护。
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