一种高效散热单元式分立器件的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高效散热单元式分立器件。


背景技术：

2.功率半导体技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，功率器件作为功率半导体技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，功率器件有着更加广阔的市场前景。
3.随着功率半导体技术的发展，对功率器件的高转换效率、高功率密度、高效散热的要求不断提高。传统分立式功率器件，如图1所示，包括塑封体a1、框架，框架经过后续加工形成管脚a2、散热基板a3。对于控制型开关器件，管脚通常有3只或4只；对于二极管类器件，管脚通常有2只。通常情况下，有1只管脚与背部的散热基板相连，如图2所示，功率芯片b1焊接或烧结在框架的散热基板上，芯片正面通过键合线b2与其它管脚电连接。
4.随着半导体技术的发展，对器件的高转换效率、高功率密度、高效散热的要求不断提高。然而，随着开关速度和工作频率的增加，器件中寄生参数的影响也越来越明显。例如，传统绝缘基板和铝线键合封装结构因其制造成熟、成本低而被广泛应用于多芯片功率模块封装，但是此封装方法会导致电流回路中的寄生电感较大。较大的寄生电感会导致功率半导体器件开关损耗增加，同时会引起高频振荡等电磁干扰问题，甚至还会造成因过电压而损坏。


技术实现要素：

5.本发明针对以上问题，提供了一种降低封装体积和热阻、减小寄生电阻和寄生电感的一种高效散热单元式分立器件。
6.本发明的技术方案是：一种高效散热单元式分立器件，包括：绝缘基板，上表面设有间隔设置的漏极/集电极金属层和门极金属层；所述漏极/集电极金属层上固定连接有功率连接块二；功率芯片，下表面与所述漏极/集电极金属层固定连接，功率芯片上表面设有源极/发射极和门极，所述源极/发射极上设有固定连接的功率连接块一；所述门极金属层一端通过键合线与功率芯片的门极电连接，另一端固定连接有门极连接块。
7.具体的，所述绝缘基板的上表面还设有源极/发射极驱动金属层，所述源极/发射极驱动金属层的一端与功率芯片的源极/发射极通过键合线电连接，另一端固定连接有源极/发射极驱动连接块。
8.具体的，所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块分别向上延伸；所述功率连接块一、功率连接块二、门极连接块的顶面分别距绝缘基板的高度差在-0.1mm～+0.1mm。
9.具体的，所述绝缘基板包括由上而下依次连接的上表面金属层，中间绝缘层和下表面金属层；
所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块分别固定设置在上表面金属层上。
10.具体的，所述功率芯片和键合线被完全包覆在环氧树脂内部；所述绝缘基板的下表面金属层从环氧树脂内伸出；所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块的顶部分别从环氧树脂内伸出。
11.具体的，所述下表面金属层从环氧树脂内伸出的高度不大于0.2mm，优选0.1mm；所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块的顶部分别从环氧树脂内伸出的高度为1mm～2mm。
12.具体的，所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块分别与pcb电连接，所述功率连接块一、功率连接块二和门极连接块与pcb连接的空隙处设有填充的绝缘材料。
13.具体的，所述功率芯片为mosfet芯片、igbt芯片、sbd芯片、frd芯片中的一种或几种的组合。
14.具体的，所述下表面金属层上设有散热器；所述散热器与下表面金属层之间设有导热硅脂层。
15.具体的所述散热器通过卡扣与pcb可拆卸固定连接。
16.本发明有益效果：1、本发明的紧凑型分立器件，相对于传统分立器件，减少了外部延伸的引脚，有效减小了封装体积，体积约减少30%；散热部分与功率芯片绝缘，外部不需要增加绝缘陶瓷，同时也减小了导热硅脂的层数，有效降低了分立器件的热阻。
17.2、本发明紧凑型分立器件用连接块代替了引脚，除了减少引脚的长度，也增加了引脚的截面积，从而减小了分立器件的寄生电阻和寄生电感；功率芯片的源极使用连接块代替了键合线，提升了互连可靠性；相对于传统分立器件，安装更加方便，提升了组装效率。
附图说明
18.图1是背景技术中分立式功率器件的结构示意图，图2是背景技术中分立式功率器件内部结构示意图，图3是现有技术中分立式功率器件使用状态结构示意图，图4是现有技术中分立式功率器件使用状态侧面结构示意图，图5是绝缘基板的立体结构示意图，图6相应连接块与绝缘基板连接状态立体结构示意图，图7是本发明设置环氧层后顶面立体结构示意图，图8是本发明设置环氧层后底面立体结构示意图，图9是本发明与电路板组装结构示意图，图10是本发明与散热器组装后结构示意图，图11是本发明安装结构示意图；图中100是绝缘基板，110是漏极/集电极金属层，111是功率连接块二，120是门极金属层，121是门极连接块，130是源极/发射极驱动金属层，131是源极/发射极驱动连接块，200是功率芯片，210是功率连接块一，300是环氧树脂，
400是pcb，500是散热器，600是导热硅脂层。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.本发明的单元式分立器件在电路结构上是单管结构，如图5所示，器件类型主要包括igbt、mosfet、frd、sbd等，也可以根据实际电路需要，将两种类型芯片塑封在一起。这种单管结构类型是最简单的电路形式，复杂的电路往往由这些单管组合而成，因此将单管作为基本电路类型进行封装；另外单管封装体积小，除了工艺简单、便于筛选，还可以降低封装中不同材料之间的界面应力、减小翘曲变形。
23.本发明如图5-11所示；一种高效散热单元式分立器件，包括：一种高效散热单元式分立器件，包括：绝缘基板100，上表面设有间隔设置的漏极/集电极金属层110和门极金属层120；所述漏极/集电极金属层110上固定连接有功率连接块二111；功率芯片200，下表面与所述漏极/集电极金属层110固定连接，功率芯片上表面设有源极/发射极和门极，所述源极/发射极上设有固定连接的功率连接块一210；所述门极金属层120一端通过键合线与功率芯片的门极电连接，另一端固定连接有门极连接块121。功率连接块一210、功率连接块二111、门极连接块121和极/发射极驱动连接块131的材质优选为钼、钼铜、铜、alsic等。
[0024]“漏极/集电极”110、“源极/发射极”之间“/”是或的关系，对于igbt芯片来说，是门极、集电极、发射极；对于mosfet芯片来说是门极、漏极、源极。
[0025]
进一步限定源极/发射极驱动连接块131：所述绝缘基板的上表面还设有源极/发射极驱动金属层130，所述源极/发射极驱动金属层130的一端与功率芯片的源极/发射极通过键合线电连接，另一端固定连接有源极/发射极驱动连接块131。
[0026]
连接块之间高度差进一步限定：所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121分别向上以图6方向为
参考方向延伸；所述功率连接块一210、功率连接块二111、门极连接块121的顶面分别距绝缘基板的高度差在-0.1mm～+0.1mm。
[0027]
绝缘基板100结构进一步限定：所述绝缘基板100包括由上而下依次连接的上表面金属层，中间绝缘层和下表面金属层；所述中间绝缘层为氧化铝（al2o3）层、氮化铝（aln）层或氮化硅（si3n4）层。
[0028]
所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121分别固定设置在上表面金属层上。
[0029]
环氧树脂300设置结构进一步限定，所述功率芯片200和键合线被完全包覆在环氧树脂300内部；所述绝缘基板100的下表面金属层从环氧树脂300内伸出；所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121的顶部分别从环氧树脂300内伸出。
[0030]
所述下表面金属层从环氧树脂300内伸出的高度不大于0.2mm，优选0.1mm；所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121的顶部分别从环氧树脂300内伸出的高度为1mm～2mm。
[0031]
设置结构进一步限定：所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121分别与pcb400之间通过焊接实现电连接，所述功率连接块一210、功率连接块二111和门极连接块121与pcb400之间空隙设有绝缘材料。由于本发明分立器件的紧凑结构，引脚较短，焊接在电路板上后，各管脚之间的距离可能较近，为了解决电气问题，优选在分立器件的塑封体与电路板之间填充绝缘胶。
[0032]
所述功率芯片200为mosfet芯片、igbt芯片、sbd芯片、frd芯片中的一种或几种的组合。
[0033]
现有技术中分立器件使用时，将塑封好的分立器件管脚插装在电路板c3上，通过焊接实现管脚与电路板的电连接，如图3所示，由于功率芯片发热量较大，为了实现良好散热，通常在分立器件c1的背面安装散热器c2。
[0034]
由于功率芯片直接焊接或烧结在散热基板上，如果直接将散热片接触分立器件的散热基板，那散热片间接与功率芯片的背面相连，存在较大的电气安全隐患，甚至会造成人员伤亡。因此，分立器件背面的散热基板d1通常通过导热硅脂d2、绝缘陶瓷d3与散热器d4相连，如图4所示。
[0035]
所述下表面金属层上设有散热器500；所述散热器500与下表面金属层之间设有导热硅脂层600。
[0036]
所述散热器500通过卡扣与pcb400可拆卸固定连接。
[0037]
分立器件组装完成后，在分立器件正面的绝缘基板金属层上涂覆导热硅脂，然后安装散热器。为了固定散热器，在电路板的局部开设有安装孔，散热器相应部位伸出结构可以直接固定在电路板上。这种安装结构不仅安装方便，更重要的是可以使散热器与分立器件接触良好，实现良好散热。
[0038]
本案中源极驱动连接块、门极连接块和漏极连接块的顶部分别从环氧层内向上伸
出。源极金属连接块、源极驱动连接块、门极连接块和漏极连接块的部分区域穿过环氧露出在外部，相当于分立器件的引脚（即源极引脚、源极驱动引脚、门极驱动引脚和漏极引脚），主要起到电路连接、散热通道的作用。源极驱动引脚、门极驱动引脚、源极引脚、漏极引脚分别焊接在电路板的相应焊盘上，从而实现本发明分立器件与电路板的电连接。
[0039]
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，包括：绝缘基板（100），上表面设有间隔设置的漏极/集电极金属层（110）和门极金属层（120）；所述漏极/集电极金属层（110）上固定连接有功率连接块二（111）；功率芯片（200），下表面与所述漏极/集电极金属层（110）固定连接，功率芯片上表面设有源极/发射极和门极，所述源极/发射极上设有固定连接的功率连接块一（210）；所述门极金属层（120）一端通过键合线与功率芯片的门极电连接，另一端固定连接有门极连接块（121）。2.根据权利要求1所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述绝缘基板的上表面还设有源极/发射极驱动金属层（130），所述源极/发射极驱动金属层（130）的一端与功率芯片的源极/发射极通过键合线电连接，另一端固定连接有源极/发射极驱动连接块（131）。3.根据权利要求1所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）分别向上延伸；所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）、门极连接块（121）的顶面分别距绝缘基板的高度差在-0.1mm～+0.1mm。4.根据权利要求1所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述绝缘基板（100）包括由上而下依次连接的上表面金属层，中间绝缘层和下表面金属层；所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）分别固定设置在上表面金属层上。5.根据权利要求4所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述功率芯片（200）和键合线被完全包覆在环氧树脂（300）内部；所述绝缘基板（100）的下表面金属层从环氧树脂（300）内伸出；所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）的顶部分别从环氧树脂（300）内伸出。6.根据权利要求5所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述下表面金属层从环氧树脂（300）内伸出的高度不大于0.2mm，优选0.1mm；所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）的顶部分别从环氧树脂（300）内伸出的高度为1mm～2mm。7.根据权利要求1所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）分别与pcb（400）电连接；所述功率连接块一（210）、功率连接块二（111）和门极连接块（121）与pcb（400）连接的空隙处设有填充的绝缘材料。8.根据权利要求1所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述功率芯片（200）为mosfet芯片、igbt芯片、sbd芯片、frd芯片中的一种或几种的组合。9.根据权利要求4或6所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述下表面金属层上设有散热器（500）；所述散热器（500）与下表面金属层之间设有导热硅脂层（600）。10.根据权利要求9所述的一种高效散热单元式分立器件，其特征在于，所述散热器（500）通过卡扣与pcb（400）可拆卸固定连接。

技术总结
一种高效散热单元式分立器件。涉及半导体技术领域。包括：绝缘基板，上表面设有间隔设置的漏极/集电极金属层和门极金属层；所述漏极/集电极金属层上固定连接有功率连接块二；功率芯片，下表面与所述漏极/集电极金属层固定连接，功率芯片上表面设有源极/发射极和门极，所述源极/发射极上设有固定连接的功率连接块一；所述门极金属层一端通过键合线与功率芯片的门极电连接，另一端固定连接有门极连接块。本发明有效降低了分立器件的热阻，安装更加方便，提升了组装效率。提升了组装效率。提升了组装效率。


技术研发人员：王玉林 金晓行 李冯 王毅
受保护的技术使用者：江苏扬杰半导体有限公司
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/8