CN109449135B - 半导体功率器件的封装结构及封装结构的电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体功率器件的封装结构及封装结构的电极，对封装结构内部的电极进行改进，按照从内到外电极的电阻逐渐减小的方式设计电极。由于，所有电极之间的互感，导致电流呈现外部大，中心小，与集肤效应类似的分布；并且由于电极的电阻相同，电流分布主要受集肤效应影响。由内至外电极电阻增大，从而削弱集肤效应的影响，使得各电极的电流趋于一致。在制作电极阶段，改变电极尺寸，不改变电极的分布以及封装结构的尺寸，因此并不影响器件大小，可以较好的在不增加封装尺寸的前提下实现多个半导体功率器件均流。

Description

半导体功率器件的封装结构及封装结构的电极
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体功率器件的封装结构及封装结构的电极。
背景技术
在大功率电力电子应用场合，压接型半导体功率器件以期多芯片并联、失效短路，易于串联等优点得到广泛应用。
在器件开通时，压接式半导体功率器件，例如IGBT器件内部每个 IGBT芯片流过的电流由于所在支路凸台电感和互感的影响，导致各自的电流并不相同。这必然导致长期工作情况下，不同的芯片的性能出现差异，进而影响长期使用寿命。因此需要对封装结构进行设计，以尽可能保证各芯片所在支路的电感参数一致。
现有的设计方法主要包括两类：其一，将凸台圆形布置，利用几何结构的对称性实现电气参数的一致性；其二，分组布置，8-12支芯片一组，独立封装为一个子模块，多个子模块再并联为一个大模块，不同子模块间采用屏蔽等设计方式，实现相互隔离。但是这两种方式都会造成器件封装尺寸增大，不利于提高功率密度。
因此，如何在不增加封装尺寸的前提下实现多个半导体功率器件均流。
发明内容
有鉴于此，本发明第一方面提出了一种电极，用于半导体功率器件的封装结构，所述电极的电阻由内向外依次增大。
可选地，所述电极的尺寸由内向外依次减小。
可选地，所述多个电极包括一个中心区域电极阵列以及由内向外包围所述中心区域电极阵列多层***电极阵列，所述电极尺寸由所述中心区域电极阵列向***电极阵列逐层减小。
可选地，所述中心区域电极阵列包括至少一个电极，所述中心区域电极阵列的电极尺寸与功率器件的尺寸相同。
可选地，所述电极的尺寸由下式表示：a＝a0e(x-D)/2d，其中，a为电极尺寸，a0为中心区域电极阵列的电极尺寸，x为电极中心到中心区域电极阵列中电极中心的距离，D为最***电极中心到中心区域电极阵列中电极中心的距离，d为电极的集肤效应的集肤深度。
可选地，所述电极为矩形凸台。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种半导体功率器件的封装结构，包括上述第一方面任意一项所述的电极。
可选地，所述功率器件封装结构为压接式封装结构。
可选地，所述功率器件包括：功率二极管、晶闸管，功率双极型晶体管、垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管、横向扩散金属-氧化物场效应晶体管以及IGBT中的任意一种。
本发明实施例提供了一种半导体功率器件的封装结构及封装结构的电极，对封装结构内部的电极进行改进，按照从内到外电极的电阻逐渐减小的方式设计电极。由于，所有电极之间的互感，导致电流呈现外部大，中心小，与集肤效应类似的分布；并且由于电极的电阻相同，电流分布主要受集肤效应影响。由内至外电极电阻增大，从而削弱集肤效应的影响，使得各电极的电流趋于一致。在制作电极阶段，改变电极尺寸，不改变电极的分布以及封装结构的尺寸，因此并不影响器件大小，可以较好的在不增加封装尺寸的前提下实现多个半导体功率器件均流。
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1为本发明实施例中封装电极的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
由于，所有电极之间的互感，导致电流呈现外部大，中心小，与集肤效应类似的分布；并且由于电极的电阻相同，电流分布主要受集肤效应影响。本发明的目的是提供一种电极，该电极用于半导体功率器件的封装结构，以改善半导体功率器件均流特性，对封装结构内部的电极进行改进，按照从内到外电极的电阻逐渐减小的方式设计电极。由于，所有电极之间的互感，导致电流呈现外部大，中心小，与集肤效应类似的分布；并且由于电极的电阻相同，电流分布主要受集肤效应影响。由内至外电极电阻增大，从而削弱集肤效应的影响，使得各电极的电流趋于一致。在制作电极阶段，改变电极尺寸，不改变电极的分布以及封装结构的尺寸，因此并不影响器件大小，可以较好的在不增加封装尺寸的前提下实现多个半导体功率器件均流。
由于电极由金属制成，作为一可行的实施方式，可以通过改变电极的尺寸来改变电极的电阻的大小，具体的，电极的尺寸由内向外依次减小。在封装结构中电极的排布方式如图1所示，多个电极包括一个中心区域电极阵列以及由内向外包围所述中心区域电极阵列多层***电极阵列，所述电极尺寸由所述中心区域电极阵列向***电极阵列逐层减小。并且，所述中心区域电极阵列包括至少一个电极，所述中心区域电极阵列的电极尺寸与功率器件的尺寸相同。
在本实施例中，所称的半导体功率器件可以包括：功率二极管、晶闸管，功率双极型晶体管、垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管、横向扩散金属-氧化物场效应晶体管以及IGBT中的任意一种。在本实施例中以大功率IGBT为例进行说明。在本实施例中的电极可以适用于多种形式的封装结构，在本实施例中以压接封装形式为例进行说明，另外，所称电极可以为圆形电极，可以矩形电极，也可以为异形电极，具体的电极形状可以以半导体功率器件的形状而定，在本实施例中以图1所示的方形凸台为例进行说明。
作为可选的实施例，为满足从内到外电极电阻逐渐减小的方式，可以按照从内到外凸台1边长逐渐减小的方式设计凸台1。改变凸台1尺寸，将外侧凸台1尺寸减小，电阻增大，从而削弱集肤效应的影响，使得各凸台1电流趋于一致。
下面将介绍凸台1边长从内到外逐渐减小的设计原则：
a0为中心区域电极阵列的凸台1的边长，x为任意凸台中心到最***凸台中心的距离，D为最***凸台中心到中心区域凸台阵列中凸台中心的距离。凸台1的边长a按照如下原则设计：
a＝a0e(x-D)/10
其计算原理如下：
考虑到电极全部为金属导体情况下，在距离中心区域凸台阵列中凸台中心的距离x处的任意凸台电流I近似按照集肤效应原则分布，即：
I＝I0e-px
其中：I0为最外层凸台电流，p基于集肤深度d计算即：
Figure GDA0002401115820000051
d为集肤深度。
考虑到在任意方向上，凸台1与空气交替布置，宽度几乎相同。近似考虑，在凸台1大小一致的情况下，不同位置处凸台电流近似为：
I＝I0e-x/d
为了使各凸台电流近似相同。考虑到不同位置凸台电阻与截面积成反比，即，考虑电阻影响的情况下，为了使电流区域一致，则截面积需要按照ex/d比例增加。即不同位置凸台的半径按照ex/(2d)增加。
这里d参考集肤深度计算式，在本实施例中，可以以频率为1MHz，相对磁导率为1，材料为铜为例进行近似计算为：
Figure GDA0002401115820000061
在中心凸台边长与芯片边长相同，记为a0的情况下，最***凸台中心与最内层中心距离为D。凸台1的材质以铜为例，集肤深度d为5，则不同位置处的凸台1边长为：
a＝a0e(x-D)/(2d)＝a0e(x-D)/10
其中x为各层凸台中心位置与器件最***凸台中心距离。
下面将结合本发明实施例中的图1，对本发明实施例中的技术方案以具体的实例进行清楚、完整地描述，凸台1的尺寸加工可以参考上述实施例中的公式，对不同位置凸台1边长进行计算即可。图1中给出了30个凸台情况下的设计图，可以对应于1500A功率器件。
以1500A功率器件为例，各层凸台形状示意图如图1所示，凸台1分布为三层分布，各芯片边长为1.4cm，凸台1间距离为1cm为例。参考凸台1边长的计算式可得以下结果。
中心层凸台边长为a0，数值为1.4cm。
第二层凸台边长为：a1＝a0e(2.4-4.8)/10≈0.79a0，数值为1.10cm。
第三层凸台边长为：a2＝a0e(0-4.8)/10≈0.62a0，数值为0.87cm。
如果是凸台按照7*8分布的3000A功率器件(图中未示出)。(实际需要60个凸台，其余四个分布在最外侧，计算时不予考虑)。
中心层凸台边长为a0，数值为1.4cm。
第二层凸台边长为a1＝a0e(4.8-7.2)/10≈0.79a0，数值为1.10cm。
第三层凸台边长为a2＝a0e(2.4-7.2)/10≈0.62a0，数值为0.87cm。
第四层凸台边长为a3＝a0e(0-7.2)/10≈0.49a0，数值为0.69cm。
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)

1.一种电极，其特征在于，用于半导体功率器件的封装结构，所述电极为多个，所述电极的电阻由内向外依次增大。
2.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极的尺寸由内向外依次减小。
3.如权利要求2所述的电极，其特征在于，所述多个电极包括一个中心区域电极阵列以及由内向外包围所述中心区域电极阵列多层***电极阵列，所述电极尺寸由所述中心区域电极阵列向***电极阵列逐层减小。
4.如权利要求3所述的电极，其特征在于，
所述中心区域电极阵列包括至少一个电极，所述中心区域电极阵列的电极尺寸与功率器件的尺寸相同。
5.如权利要求4所述的电极，其特征在于，
所述电极的尺寸由下式表示：
a＝a0e(x-D)/2d
其中，a为电极尺寸，a0为中心区域电极阵列的电极尺寸，x为电极中心到最***电极中心的距离，D为最***电极中心到中心区域电极阵列中电极中心的距离，d为电极的集肤效应的集肤深度。
6.如权利要求5所述的电极，其特征在于，所述电极为矩形凸台。
7.一种半导体功率器件的封装结构，其特征在于，包括：如权利要求1-6任意一项所述的电极。
8.如权利要求7所述的半导体功率器件的封装结构，其特征在于，所述功率器件封装结构为压接式封装结构。
9.如权利要求7或8所述的半导体功率器件的封装结构，其特征在于，所述功率器件包括：
功率二极管、晶闸管、功率双极型晶体管、垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管、横向扩散金属-氧化物场效应晶体管以及IGBT中的任意一种。
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