CN107611102B - 一种半导体器件封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体器件封装结构，包括：弹性绝缘框架，其内侧具有用于固定所述半导体器件的固定槽，以夹持所述半导体器件的边缘，所述半导体器件的第一电极从所述弹性绝缘框架的第一表面通孔引出，所述半导体器件的第二电极从所述弹性绝缘框架的第二表面通孔引出，其中所述第一表面与所述第二表面相对。该方案通过在弹性绝缘框架内设置固定槽，由固定槽夹持住半导体器件的边缘，以固定装配入的半导体器件，分别通过弹性绝缘框架的通孔引出半导体器件的电极，弹性接触可以更加紧密的压紧半导体器件，避免了现有技术中因为半导体器件与固定框架硬接触或机械定位的余量导致的微小间隙，从而避免了因间隙放电导致的半导体器件失效。

Description

一种半导体器件封装结构

技术领域

本发明涉及电力电子器件领域，具体涉及一种半导体器件封装结构。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为电力电子***的一种关键电力半导体器件已经持续增长了若干年，这是因为它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，也实现了小型化的设计。柔性直流输电用IGBT器件的电流规格通常为几kA，单颗芯片的规格不足100A。所以往往需要几十颗IGBT芯片的并联使用，目前的产品化IGBT器件有三种解决方案，分别是：整体式封装、单颗IGBT芯片封装以及十几颗芯IGBT片组成一个子单元后再并联的方式。其中，单颗IGBT芯片的子模组封装具有灵活性高、替换便捷等优势。在封装过程中，IGBT芯片及组件的机械定位、电气连接方式及高压芯片的绝缘保护等直接影响到封装后器件的性能，因此是封装的主要考虑因素。现有的大功率IGBT芯片的封装通常有如下两种方案：

方案一：底板绝缘模块式封装，由底板，覆铜陶瓷基板，绝缘外壳等组成，芯片背面通过焊料与陶瓷覆铜面焊接，正面通过键合线连接到陶瓷覆铜面，陶瓷覆铜面通过刻蚀形成连接正负电极的不同区域。该方案容易因焊接疲劳导致的器件失效，并且作为非气密性封装，模块内部通过灌注硅凝胶或环氧树脂等绝缘材料来隔离芯片与外界环境(水，气，灰尘)的接触，但灌注材料通常也隔绝了热量的传递并在长期工作过程中出现隔离效果退化的现象。

方案二：压接式封装，由陶瓷管壳及铜电极组成，芯片与电极通过压力接触。全压接IGBT芯片封装由上下电极配合多层材料与硅片实现全压接式接触，这种压接式封装虽然消除了方案一中因焊接疲劳导致的器件失效的现象，但是由于器件之间的硬接触很容易导致气隙放电，进而容易导致芯片失效；如图1A所示，是现有的一种压接式IGBT子模组的封装结构，每个子模组的功率芯片以及多层金属垫片层叠组装于一个绝缘框架5而成，用于IGBT的绝缘框架5中必须留有栅极定位孔。栅极定位孔中放置有栅极触点，其上部与IGBT芯片的栅极焊盘接触，下部与导入栅极的印制电路板接触。该框架5外部边沿每一面均分布两个突起的条形柱3，将每个面均分为四等分，该条形柱用于约束芯片在子模组内，在实际封装过程中，依靠器件外部施加的数十牛压力实现芯片7和上下功率电极6的良好连接。如图1B所示，这种封装结构，由于在芯片7压入框架5时，当下功率电极6将芯片7托起时，在芯片7的绝缘终端和框架5之间容易形成一个间隙15，该间隙15约几十微米到200微米，该间隙15形成了一个狭小的空间，而当芯片7两个电极面加高电压时，会在芯片7的绝缘终端周围形成电场，此时，如果绝缘终端之间的电压超过3000V，就会在该间隙10间发生放电，即发生间隙放电，从而导致芯片失效。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中IGBT芯片封装容易因气隙放电致使芯片失效。从而提供一种半导体器件封装结构。

有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种半导体器件封装结构，包括：弹性绝缘框架，其内侧具有用于固定所述半导体器件的固定槽，以夹持所述半导体器件的边缘，所述半导体器件的第一电极从所述弹性绝缘框架的第一表面通孔引出，所述半导体器件的第二电极从所述弹性绝缘框架的第二表面通孔引出，其中所述第一表面与所述第二表面相对。

优选地，所述弹性绝缘框架的侧面还包括：开口，所述开口用于在装配所述半导体器件时使所述半导体器件通过所述开口装配到所述框架中。

优选地，用于引出所述半导体器件的第一电极的第一导体片与所述弹性绝缘框架的第一表面通孔紧密配合；和/或用于引出所述半导体器件的第二电极的第二导体片与所述弹性绝缘框架的第二表面通孔紧密配合。

优选地，还包括：至少一个定位装置，设置在所述弹性绝缘框架的第一表面和/或第二表面上，用于固定引出所述半导体器件的第一电极的第一导体片和/或所述第二电极的第二导体片。

优选地，所述至少一个定位装置为两个固定角，所述两个固定角相对设置。

优选地，还包括：至少一个电极引出通道，设置在所述弹性绝缘框架的第一表面和/或第二表面上，用于引出所述半导体器件的至少一个第三电极。

优选地，所述至少一个第三电极通过弹簧探针引出。

优选地，所述弹簧探针具有1N-3N的弹簧力。

优选地，引出所述第一电极的第一导体片和引出所述第二电极的第二导体片的尺寸相同。

优选地，所述半导体器件为二极管或晶体管。

本发明的技术方案具有以下优点：

本发明实施例提供的半导体器件封装结构，通过在弹性绝缘框架内设置固定槽，由固定槽夹持住半导体器件的边缘，以固定装配入的半导体器件，并在弹性绝缘框架的两个对立面上开有通孔，以分别通过该通孔在半导体器件的上下电极面上装配导体片，用于引出半导体器件的第一电极和第二电极，由于用于固定半导体器件的弹性绝缘框架与半导体器件的边缘(比如芯片的绝缘终端)是弹性接触，可以更加紧密的压紧半导体器件，既能为半导体器件及必须组件提供机械支撑及定位，而且避免了现有技术中因为半导体器件与固定框架硬接触或机械定位的余量导致的微小间隙，从而避免了因间隙放电导致的半导体器件失效。

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1A和图1B为现有技术中压接式IGBT子模组的封装结构的示意图；

图2为本发明实施例的半导体器件封装结构的一个示意图；

图3A为本发明实施例的弹性绝缘框架的一个示意图；

图3B为本发明实施例的弹性绝缘框架底面的一个俯视图；

图4为本发明实施例的半导体器件封装结构的一个切面示意图；

附图标记：

3-条形柱；5-框架；6-下功率电极；7-芯片；8-上功率电极；10-弹性绝缘框架；11-固定槽；12-开口；13-固定角；15-间隙；20-芯片；30-第一导体片；40-第二导体片；50-电极引出通道；51-弹簧探针。

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“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。

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。

实施例

本实施例提供一种半导体器件封装结构，可用于封装半导体器件，如图2所示，该结构包括：弹性绝缘框架10，其内侧具有用于固定所述半导体器件的固定槽11，以夹持所述半导体器件的边缘，所述半导体器件的第一电极从所述弹性绝缘框架10的第一表面通孔引出，所述半导体器件的第二电极从所述弹性绝缘框架10的第二表面通孔引出，其中所述第一表面与所述第二表面相对。其中，弹性绝缘框架10一般由耐高低温的弹性绝缘材料制成(比如硅橡胶等)，半导体器件包含但不限于二极管或晶体管，比如晶体管可以是双极型晶体管、MOS晶体管、IGBT等；二极管可以是续流二极管FWD，具体地，本实施例以绝缘栅双极晶体管IGBT芯片20作为被封装的半导体器件来详细说明本实施例的封装结构：

如图2至图4所示，该封装结构包括芯片20(即绝缘栅双极晶体管IGBT芯片20)、与所述芯片20轴向垂直、依次对称设置在芯片20上下的分别用于引出芯片20的第一电极和第二电极的第一导体片30和第二导体片40，通过在弹性绝缘框架10内设置固定槽11，由固定槽11夹持住芯片20的绝缘终端，作为一种具体的实施方式，可以在弹性绝缘框架10的侧面设置开口12，将该芯片20通过该开口12装配到弹性绝缘框架10的固定槽11中，如此，由于用于固定半导体器件的弹性绝缘框架10与芯片20的的绝缘终端弹性接触，可以更加紧密的压紧芯片20，进而紧固住芯片20的正负电极面，既能为芯片20提供机械支撑及定位，而且避免了现有技术中因为芯片20与固定框架硬接触或机械定位的余量导致的微小间隙，从而避免了因间隙放电导致的芯片20失效。并在弹性绝缘框架10的两个对立面上开有通孔，以分别通过该通孔在芯片20的上下电极面装配入两个导体片，用于引出芯片20的第一电极和第二电极，作为一种具体的实施方式，用于引出所述芯片20的第一电极的第一导体片30与所述弹性绝缘框架10的第一表面通孔紧密配合；用于引出所述芯片20的第二电极的第二导体片40与所述弹性绝缘框架10的第二表面通孔紧密配合，如此，借助弹性绝缘框架10的弹性，以过盈配合的方式紧固住第一导体片30和第二导体片40的侧面，避免二者脱落。

作为一种优选方案，还包括：至少一个定位装置，设置在所述弹性绝缘框架10的第一表面和/或第二表面上，用于固定引出所述半导体器件的第一电极的第一导体片30和/或所述第二电极的第二导体片40。具体地，以第二电极为例，为了使封装结构更加便携，第二电极的引出可以需要两个独立的第二导体片40，其中一个贴近芯片20电极面的第二导体片40a，直接通过弹性绝缘框架10的主体部分紧固即可，而在封装结构使用过程往往还需要另一个第二导体片40b与其他电器元件配合使用，以使封装结构应用于各种使用场景中，第二导体片40b与第二导体片40a配合接触，为了固定第二导体片40b，可以在第二导体片40b伸出弹性绝缘框架10主体的部分通过至少一个定位装置将其固定，增加封装结构的稳固性，以使元件良好接触。作为一种具体的实施方式，所述至少一个定位装置为两个固定角13，所述两个固定角13相对设置。如图3A和3B所示，此处，固定角13的个数可以根据实际情况而定，比如，当弹性绝缘框架10切面为方形时，固定脚至少需要两个，并分别设置在方形对角的位置，固定角13也是绝缘且富有弹性的，因此可以将第二电极的第二导体片40b进行紧固，结构简单，操作方便。

作为一种优选方案，还包括：至少一个电极引出通道50，设置在所述弹性绝缘框架10的第一表面和/或第二表面上，用于引出所述半导体器件的至少一个第三电极。此处，当半导体器件为IGBT芯片20时，芯片20的电极有三个，具体地，第一电极可以为芯片20的集电极、第二电极可以为芯片20的发射极，则可以通过电极引出通道50引出芯片20的第三电极(栅极)，此时，该电极引出通道50可以从所述弹性绝缘框架10的第二表面上伸出，该电极引出通道50外壁由绝缘材料制成。

作为一种具体的实施方式，所述至少一个第三电极通过弹簧探针51引出。具体地，弹簧探针51可以是一套在垂直方向上有0.5mm-2mm位移范围、且具有1N-3N的弹簧力弹簧组，弹簧探针51通过电极引出通道50装配入弹性绝缘框架10，此时电极引出通道50可以是圆筒状，其桶壁的外沿通过弹性绝缘框架10内部的开槽，卡在弹性绝缘框架10上，实现与弹性绝缘框架10的装配固定，如此，弹簧探针51可以在垂直方向上有0.5mm-2mm距离的位移并且不会脱离，同时，保持垂直于芯片20。

作为一种优选方案，引出所述第一电极的第一导体片30和引出所述第二电极的第二导体片40a的尺寸相同。由于第一导体片30和第二导体片40a分别以压接的方式接触芯片20的上下电极面，相同尺寸的第一导体片30和第二导体片40a可以保证芯片20的电极面在压接的过程中受力均匀，避免受力不均对芯片20造成损害。具体地，第一导体片30和第二导体片40a可以采用与芯片20的热膨胀系数匹配的金属材质，比如钨和钼或其他合金，在弹性绝缘框架10切面为方形时，也可以将两种导体片也做成尺寸相同的方形薄片，比如长宽尺寸范围可以为0.5mm-3mm左右，厚度范围可以均为1-3mm，在考虑实际应用场景的情况下保证芯片20受力均匀。

本实施例提供的半导体器件封装结构，通过在弹性绝缘框架10内设置固定槽11，由固定槽11夹持住半导体器件的边缘，以固定装配入的半导体器件，并在弹性绝缘框架10的两个对立面上开有通孔，以分别通过该通孔在半导体器件的上下电极面上装配导体片，用于引出半导体器件的第一电极和第二电极，由于用于固定半导体器件的弹性绝缘框架10与半导体器件的边缘(比如芯片20的绝缘终端)是弹性接触，可以更加紧密的压紧半导体器件，既能为半导体器件及必须组件提供机械支撑及定位，而且避免了现有技术中因为半导体器件与固定框架硬接触或机械定位的余量导致的微小间隙，从而避免了因间隙放电导致的半导体器件失效。

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。

Claims (9)

1.一种半导体器件封装结构，其特征在于，包括：

弹性绝缘框架，其内侧具有用于固定所述半导体器件的固定槽，以夹持所述半导体器件的边缘，所述半导体器件的第一电极从所述弹性绝缘框架的第一表面通孔引出，所述半导体器件的第二电极从所述弹性绝缘框架的第二表面通孔引出，其中所述第一表面与所述第二表面相对；

所述弹性绝缘框架的侧面还包括：

开口，所述开口用于在装配所述半导体器件时使所述半导体器件通过所述开口装配到所述框架中。

2.根据权利要求1所述的半导体器件封装结构，其特征在于，用于引出所述半导体器件的第一电极的第一导体片与所述弹性绝缘框架的第一表面通孔紧密配合；和/或

用于引出所述半导体器件的第二电极的第二导体片与所述弹性绝缘框架的第二表面通孔紧密配合。

3.根据权利要求2所述的半导体器件封装结构，其特征在于，还包括：

至少一个定位装置，设置在所述弹性绝缘框架的第一表面和/或第二表面上，用于固定引出所述半导体器件的第一电极的第一导体片和/或所述第二电极的第二导体片。

4.根据权利要求3所述的半导体器件封装结构，其特征在于，所述至少一个定位装置为两个固定角，所述两个固定角相对设置。

5.根据权利要求2所述的半导体器件封装结构，其特征在于，还包括：

至少一个电极引出通道，设置在所述弹性绝缘框架的第一表面和/或第二表面上，用于引出所述半导体器件的至少一个第三电极。

6.根据权利要求5所述的半导体器件封装结构，其特征在于，所述至少一个第三电极通过弹簧探针引出。

7.根据权利要求6所述的半导体器件封装结构，其特征在于，所述弹簧探针具有1N-3N的弹簧力。

8.根据权利要求1-7任一项所述的半导体器件封装结构，其特征在于，引出所述第一电极的第一导体片和引出所述第二电极的第二导体片的尺寸相同。

9.根据权利要求1-7任一项所述的半导体器件封装结构，其特征在于，所述半导体器件为二极管或晶体管。