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CN116130469A - 一种功率半导体器件 - Google Patents

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CN116130469A CN202310415893.5A CN202310415893A CN116130469A CN 116130469 A CN116130469 A CN 116130469A CN 202310415893 A CN202310415893 A CN 202310415893A CN 116130469 A CN116130469 A CN 116130469A
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戎光荣
张茹
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Yantai Taixin Electronics Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开一种功率半导体器件，涉及功率半导体器件封装领域；该器件包括：拓扑结构电路、功率芯片、功率端子和信号端子；拓扑结构电路包括多个并联的衬板组；每个衬板组均包括两个并联的衬板；每个衬板上均对应设置多个功率芯片；每个衬板组上的阴极区位置对称，阳极区位置对称；每个衬板组上的功率芯片的阴极端口均与相应的阴极端子连接，阳极端口均与相应的阳极端子连接，控制极端口与相应的信号端子连接；信号端子将外界输入的驱动控制信号引入功率芯片；功率端子与外界母线连接，使母线电流通过衬板组上相互并联的功率芯片，形成完整的导通回路，且相邻的阴极端子和阳极端子的电流方向相反；本发明能够解决杂散电感大且控制回路长的问题。

Description

一种功率半导体器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件封装领域，特别是涉及一种功率半导体器件。
背景技术
功率半导体器件是能源转换与传输的核心器件。目前由于新能源市场的巨大需求和国产化要求，功率半导体设计、封装等企业纷纷崛起，填补了中国国内功率半导体行业的部分空白。但是在高端领域，尤其是大功率半导体器件的应用领域，仍旧受制于欧美日等外资企业。
功率半导体芯片通常由N个元胞并联形成，功率等级一般与芯片的面积成正比。由于现有芯片制造技术无法直接制造单片的大功率芯片，因此通常采用多芯片并联的方式解决大功率应用需求。这对功率半导体器件的封装工艺技术的一致性和可靠性提出了更高的要求，具体表现在器件的散热性能、电性能、机械性能。大功率半导体器件由于功率密度高，所以整体结构紧凑，为降低设计难度，现有方案是在器件内部额外安装一层PCB板辅助连接的封装结构，将芯片的控制电极引出，不但控制回路长，而且杂散电感大，这就会导致可靠性低。因此，提供一种功率半导体器件以解决杂散电感大且控制回路长的问题，至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率半导体器件，以解决杂散电感大且控制回路长的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种功率半导体器件，所述器件包括：拓扑结构电路、功率芯片、功率端子和信号端子。
所述拓扑结构电路包括多个并联的衬板组；每个所述衬板组均包括两个并联的衬板；每个衬板上均对应设置多个所述功率芯片；每个所述衬板组上的阴极区位置对称，每个所述衬板组上的阳极区位置对称。
每个所述衬板组对应设置两个所述功率端子；所述功率端子包括阴极端子和阳极端子；每个所述衬板组上的阴极区均与相应的阴极端子连接，每个所述衬板组上的阳极区均与相应的阳极端子连接；每个所述衬板组的控制极区与相应的信号端子连接；所述信号端子用于将外界输入的驱动控制信号，经所述控制极区引入所述功率芯片。
所述功率端子用于与外界母线连接，使母线电流通过所述衬板组上相互并联的功率芯片形成完整的导通回路，且相邻的阴极端子和阳极端子的电流方向相反。
可选地，所述功率芯片包括：阴极端口、控制极端口和阳极端口；
所述阴极端口设置在所述阴极区；所述阳极端口设置在所述阳极区；所述控制极端口设置在所述控制极区。
可选地，所述器件还包括：基板；所述基板上设置所述拓扑结构电路；所述基板用于承载支撑所述拓扑结构电路。
可选地，所述器件还包括：壳体；所述壳体与所述基板之间形成容纳空间；所述容纳空间内设置所述拓扑结构电路和所述功率芯片。
可选地，所述壳体上开设有多组通孔；每组通孔均包括：第一通孔和第二通孔；所述第一通孔用于将所述阴极端子引出；所述第二通孔用于将所述阳极端子引出；所述壳体开设有一组第三通孔；所述第三通孔用于将所述信号端子引出。
可选地，所述衬板包括由上至下的第一金属层、绝缘层和第二金属层；所述第一金属层上设置有阻焊层；所述第一金属层上设置相应的所述功率芯片。
可选地，所述第二金属层上开设有孔隙。
可选地，所述绝缘层的材料采用氮化铝。
可选地，所述拓扑结构电路中的多个衬板组通过键合线并联；每个所述衬板组中的两个衬板通过键合线和功率端子并联。
可选地，每个所述衬板组上的阴极区均与相应的阴极端子采用超声键合的方式连接，每个所述衬板组上的阳极区均与相应的阳极端子采用超声键合的方式连接；每个所述衬板组上的控制极区采用键合线互连后与相应的信号端子采用超声键合的方式连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种功率半导体器件，通过将每个衬板组上的阴极区位置对称，每个衬板组上的阳极区位置对称，并且经阴极端子和阳极端子与外界母线连接，使母线电流通过衬板组上相互并联的功率芯片形成一个完整的导通回路，且相邻的阴极端子和阳极端子的电流方向相反，使得产生的空间电场的电感能够相互抵消，解决杂散电感大的问题；又由于本发明通过采用信号端子以及功率端子将功率芯片上的各个端口引出，使得功率半导体器件的控制回路的长度缩短，降低控制信号的延时时间，进而也能够降低控制回路的杂散电感和寄生电阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的功率半导体器件的结构图。
图2为本发明实施例提供的拓扑结构电路的示意图。
符号说明：衬板-1、阴极端子-2、阳极端子-3、信号端子-4、基板-5、壳体-6、控制极区-7、阴极区-8、阳极区-9。
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。
本发明的目的是提供一种功率半导体器件，以解决杂散电感大且控制回路长的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种功率半导体器件。其中，该器件包括：拓扑结构电路、功率芯片、功率端子和信号端子4。
拓扑结构电路包括多个并联的衬板组；每个衬板组均包括两个并联的衬板1；每个衬板1上均对应设置多个功率芯片。功率芯片包括：阴极端口、控制极端口和阳极端口。
具体地，如图2所示，拓扑结构电路中的衬板1包括：阴极区8、控制极区7和阳极区9；阴极区8用于设置功率芯片的阴极端口；阳极区9用于设置功率芯片的阳极端口；控制极区7用于设置功率芯片的控制极端口。
每个衬板组上的阴极区8位置对称，每个衬板组上的阳极区9位置对称。每个衬板组对应设置两个功率端子。同一衬板组的两个衬板1之间通过键合线和功率端子连接；多个衬板组之间通过键合线连接。并联是将不同衬板1的相同区域采用键合线或功率端子互联。
功率端子包括阴极端子2和阳极端子3。每个衬板组上的阴极区8均与相应的阴极端子2连接，每个衬板组上的阳极区9均与相应的阳极端子3连接。
每个衬板组的控制极区7与相应的信号端子连接。
具体地，每个衬板组上的阴极区8均与相应的阴极端子2采用超声键合的方式连接，每个衬板组上的阳极区9均与相应的阳极端子3采用超声键合的方式连接；每个衬板组上的控制极区7采用键合线互连后与相应的信号端子4采用超声键合的方式连接。
其中，衬板1包括由上至下的第一金属层、绝缘层和第二金属层；第一金属层上设置有阻焊层；第一金属层上设置相应的功率芯片。第二金属层上开设有孔隙。绝缘层的材料采用氮化铝。
具体地，衬板1用于散热和绝缘。两个并联的衬板组成衬板组，将多个衬板组并联形成电路拓扑结构。衬板1通常是金属层-绝缘层-金属层的三层结构，衬板1上有优化设计的图形。通常有阴极区8、控制极区7和阳极区9，阳极区9以设置功率芯片的阳极，阴极区8以设置功率芯片的阴极；功率芯片的阳极和功率芯片的阴极相当于开关的两端。
此外，拓扑结构电路中的多个衬板组通过键合线并联；每个衬板组中的两个衬板1通过键合线和功率端子并联。键合线可以选用金、银、铜、铝等具有导电性的金属，以形成预设的电路拓扑，即拓扑结构电路，并实现相关功能。拓扑结构电路不限于是4个衬板1并联或者是6个衬板1并联。衬板1并联的数目越多，最终得到的功率半导体器件的功率等级越高。
信号端子4用于将外界输入的驱动控制信号，经控制极端口引入功率芯片。
具体地，在衬板1上的控制极区7上设置的相应的控制极端口，经信号端子4引出到器件外部。采用超声键合方式将信号端子4直接焊到衬板1上的控制极区7，相比较现有方式大大缩短了控制回路长度，有效降低了控制回路的杂散电感和寄生电阻，也降低了控制信号的延时时间。
功率端子用于与外界母线连接，使母线电流通过衬板组上相互并联的功率芯片形成完整的导通回路，且相邻的阴极端子2和阳极端子3的电流方向相反。
作为一种可选的实施方式，该器件还包括：基板5；基板5上设置拓扑结构电路；基板5用于承载支撑拓扑结构电路。
在一种实施例中，该器件还包括：壳体6；壳体6与基板5之间形成容纳空间；容纳空间内设置有拓扑结构电路和功率芯片。壳体6上开设有多组通孔；每组通孔均包括：第一通孔和第二通孔；第一通孔用于将阴极端子2引出；第二通孔用于将阳极端子3引出；壳体6开设有一组第三通孔，第三通孔用于将信号端子4引出。
壳体6用于支撑和绝缘。壳体6与基板5结合后具有一定容纳空间，容纳空间内可以包括衬板1、功率芯片、功率端子、信号端子4、键合线以及填充料。填充料通常填充环氧树脂。填充料用以保护功率芯片提高内部绝缘等级，可通过壳体6顶部的灌注孔注入后固化。
其中，用螺栓和壳体6内注塑的螺母，将基板5和壳体6紧固到一起。壳体6需要绝缘和密封，以达到防酸、碱、水汽以及氧化等目的。
此外，基板5还具有散热作用。基板5是本发明的功率半导体器件的主要散热部件，带有一定翘曲度，以提供更好的散热性能。
基板5的导热性能远高于基板5与散热器结合的缝隙中填充的导热辅料。将器件的四周用螺栓紧固在散热器上时，若基板5带有一定翘曲度，例如底部凸起，基板5受到拉伸，翘曲度减小，更接近于平面，可以减小结合缝隙，提高散热性能。
基板5两侧设置有定位孔和固定孔，基板5上设置有衬板1，基板5与衬板1背面采用焊料结合。固定孔用于紧固基板5和壳体6，定位孔用于紧固器件和散热器。
功率端子和外界母线连接时，是在壳体6的顶部螺母孔中放入螺母，便于功率端子和外界母线装配，然后将信号端子4和功率端子折弯后完成封装，得到本发明的功率半导体器件。
本发明实施例提供的衬板的设计，可以具有以下的五点有益效果。
1.采用氮化铝作为衬板的绝缘层，提高产品的散热性能、抗弯性能和产品可靠性。
2.衬板可以有效分散热源，防止局部过热。由于功率芯片的阳极需要焊接在阳极区，功率芯片是热源，为了避免热源集中使局部过热，因此需尽可能均匀分布，以分散热源，扩大热量分布范围，提高散热效率。
3.每个衬板组中的两个衬板上对应设置的阳极区对称分布，阴极区也对称分布，进而使得功率芯片的阳极端口对称分布，功率芯片阴极端口也对称分布，最终母线电流通过衬板组上相互并联的功率芯片形成一个完整的导通回路，且相邻的阴极端子和阳极端子的电流方向相反，可以使导线产生的空间电场互相抵消，极大程度抑制了母线上杂散电感的产生。
由于电流的磁效应，通电导线在空间中会产生以电流方向为中心的同心圆磁场，该磁场可用安培定则确认磁场方向。器件中的电流方向是从阳极区9到阴极区8，为了降低电磁干扰，将每一个衬板组上设置的功率芯片，设计成两条电流方向相反的导通回路，然后使空间中磁场相互抵消，以降低杂散电感的影响。功率芯片的阳极端口对称分布与功率端子的电流方向相反以抵消杂散电感的原理相同。
4.衬板的第二金属层开设有孔隙以释放应力，可以有效缓解由于不同材料热膨胀系数差异带来的材料疲劳损伤、出现裂纹等热应力危害，提高使用寿命。
5.衬板的第一金属层上设置有阻焊层，通过阻焊层定位，能够有效避免功率芯片在熔融的焊料上漂移。
本发明采用超声键合方式将功率端子分别对应的焊接到衬板的阴极区、阳极区和控制极区上，有效降低了母线电阻系数，焊接品质稳定，保证了产品的可靠性。
阴极端子2和阳极端子3叠层放置使方向相反的电流产生的电感互相抵消，降低了母线上杂散电感。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件，其特征在于，所述器件包括：拓扑结构电路、功率芯片、功率端子和信号端子；
所述拓扑结构电路包括多个并联的衬板组；
每个所述衬板组均包括两个并联的衬板；每个衬板上均对应设置多个所述功率芯片；每个所述衬板组上的阴极区位置对称，每个所述衬板组上的阳极区位置对称；
每个所述衬板组对应设置两个所述功率端子；
所述功率端子包括阴极端子和阳极端子；每个所述衬板组上的阴极区均与相应的阴极端子连接，每个所述衬板组上的阳极区均与相应的阳极端子连接；
每个所述衬板组的控制极区与相应的信号端子连接；
所述信号端子用于将外界输入的驱动控制信号，经所述控制极区引入所述功率芯片；
所述功率端子用于与外界母线连接，使母线电流通过所述衬板组上相互并联的功率芯片形成完整的导通回路，且相邻的阴极端子和阳极端子的电流方向相反。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述功率芯片包括：阴极端口、控制极端口和阳极端口；
所述阴极端口设置在所述阴极区；所述阳极端口设置在所述阳极区；所述控制极端口设置在所述控制极区。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述器件还包括：基板；
所述基板上设置所述拓扑结构电路；所述基板用于承载支撑所述拓扑结构电路。
4.根据权利要求3所述的功率半导体器件，其特征在于，所述器件还包括：壳体；
所述壳体与所述基板之间形成容纳空间；所述容纳空间内设置所述拓扑结构电路和所述功率芯片。
5.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述壳体上开设有多组通孔；每组通孔均包括：第一通孔和第二通孔；所述第一通孔用于将所述阴极端子引出；所述第二通孔用于将所述阳极端子引出；所述壳体开设有一组第三通孔；所述第三通孔用于将所述信号端子引出。
6.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述衬板包括由上至下的第一金属层、绝缘层和第二金属层；所述第一金属层上设置有阻焊层；所述第一金属层上设置相应的所述功率芯片。
7.根据权利要求6所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第二金属层上开设有孔隙。
8.根据权利要求6所述的功率半导体器件，其特征在于，所述绝缘层的材料采用氮化铝。
9.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述拓扑结构电路中的多个衬板组通过键合线并联；每个所述衬板组中的两个衬板通过键合线和功率端子并联。
10.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，每个所述衬板组上的阴极区均与相应的阴极端子采用超声键合的方式连接，每个所述衬板组上的阳极区均与相应的阳极端子采用超声键合的方式连接；每个所述衬板组上的控制极区采用键合线互连后与相应的信号端子采用超声键合的方式连接。
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