CN102237347A - 功率块以及使用该功率块的功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在提供一种在使用无铅焊料和传递模塑树脂的情况下在与未使这些的功率块之间确保互换性的功率块以及使用该功率块的功率半导体模块。本发明的功率块具有：绝缘基板；导体图形，形成在该绝缘基板上；功率半导体芯片，利用无铅焊料固定在该导体图形上；多个电极，与该功率半导体芯片电连接并且向该绝缘基板的上方延伸；传递模塑树脂，以覆盖该导体图形、该无铅焊料、该功率半导体芯片以及该多个电极的方式形成。并且，该多个电极在与该传递模塑树脂的外表面中的导体图形正上方方向的外表面相同的平面上露出。

Description

功率块以及使用该功率块的功率半导体模块

技术领域

本发明涉及利用传递模塑树脂对功率半导体芯片进行树脂密封的功率块（power block）以及使用该功率块的功率半导体模块。

背景技术

为了控制对负载供给的电流而采用功率块。一般的功率块的结构如下：将功率半导体芯片或电极等固定在绝缘基板上的导体图形上，根据需要对这些进行树脂密封。此处，功率半导体芯片采用例如IGBT或回流二极管等。

从保护环境的观点出发，存在使用SnAgCu类或者SnAgCuSb类等无铅焊料将功率半导体芯片或电极固定在导体图形上的情况。但是，使用了无铅焊料的装置与使用了铅焊料的装置相比较，在温度周期变化耐性方面较差，这是公知的。因此，为了使用无铅焊料并且得到充分的温度周期变化耐性，存在将使用了无铅焊料的结构整体容纳在模具中进行传递模塑成型的情况。根据这样得到的功率块，由于无铅焊料被传递模塑树脂覆盖，所以，能够确保充分的温度周期变化耐性。

在进行传递模塑成型的情况下，取出从上模具和下模具之间向树脂的外部延伸的电极。因此，对于被传递模塑树脂覆盖的功率块来说，电极从绝缘基板的侧面方向延伸（例如，参照专利文献1）。

专利文献1：特表平10-504136号公报。

另一方面，在制造功率块时，为了减少安装面积，一般从绝缘基板的上表面取出电极。为了确保功率块的互换性，优选功率块的取出电极的部位统一。但是，在使用了无铅焊料的情况下必须进行传递模塑成型，所以，不能够从绝缘基板的上表面方向取出电极。因此，在使用无铅焊料进行了传递模塑成型的功率块和未进行传递模塑成型的功率块之间难以确保互换性。在包含功率块的功率半导体模块中也同样容易产生该问题。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种使用无铅焊料和传递模塑树脂并且在与未使用这些的功率块之间确保互换性的功率块以及使用了该功率块的功率半导体模块。

本发明的功率块具有：绝缘基板；导体图形，形成在该绝缘基板上；功率半导体芯片，利用无铅焊料固定在该导体图形上；多个电极，与该功率半导体芯片电连接并且向该绝缘基板的上方延伸；传递模塑树脂，以覆盖该导体图形、该无铅焊料、该功率半导体芯片以及该多个电极的方式形成。并且，该功率块的特征在于，该多个电极在与该传递模塑树脂的外表面中的该导体图形的正上方方向的外表面相同的平面上露出。

本发明的功率半导体模块的特征在于，具有：功率块；基底板，固定在该功率块之下；外壳，覆盖该功率块，

所述功率块具有：

绝缘基板；

导体图形，形成在该绝缘基板上；

功率半导体芯片，利用无铅焊料固定在该导体图形上；

多个电极，与该功率半导体芯片电连接并且向该绝缘基板的上方延伸；以及

传递模塑树脂，以覆盖该导体图形、该无铅焊料以及该功率半导体芯片的方式形成，

该多个电极在与该传递模塑树脂的外表面中的该导体图形的正上方方向的外表面相同的平面上露出。

根据本发明，能够提供一种使用无铅焊料和传递模塑树脂并且在未使用这些的功率块之间确保互换性的功率块以及使用了该功率块的功率半导体模块。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的功率块的立体图。

图2是本发明的实施方式1的功率块的平面图。

图3是图1的Ⅲ-Ⅲ虚线的剖面图。

图4是图1的Ⅳ-Ⅳ虚线的剖面图。

图5是本发明的实施方式2的功率半导体模块的剖面图。

图6是本发明的实施方式3的功率块的立体图。

图7是本发明的实施方式3的功率块的平面图。

图8是图6的Ⅷ-Ⅷ虚线的剖面图。

图9是圆筒形导体的立体图。

图10是图6的Ⅹ-Ⅹ虚线的剖面图。

图11是图6的Ⅺ-Ⅺ虚线的剖面图。

图12是图6的Ⅻ-Ⅻ虚线的剖面图。

图13是表示使用六棱柱的导体代替圆筒形导体的例子的立体图。

图14是表示使用U形弯曲形状的导体代替圆筒形导体的例子的立体图。

图15是表示使用双U形弯曲形状的导体代替圆筒形导体的例子的立体图。

附图标记说明：

10  功率块

12  传递模塑树脂

14  集电极电极

16  发射极电极

18  栅极电极

22  绝缘基板

24、26、28  导体图形

30、32、34  无铅焊料

36  功率半导体芯片

54  基底板

56、58  主电极

60  栅极信号端子。

具体实施方式

实施方式1

参照图1至图4，对本发明的实施方式1进行说明。并且，对相同或者对应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。在实施方式2及实施方式3中也是同样的。

图1是本发明的实施方式1的功率块的立体图。功率块10的大部分被传递模塑树脂12覆盖。传递模塑树脂12具有平板状的形状。在传递模塑树脂12的上表面，集电极电极14、发射极电极16以及栅极电极18从传递模塑树脂12中露出。集电极电极14、发射极电极16以及栅极电极18在与传递模塑树脂12的上表面相同的平面上露出，形成与传递模塑树脂12的上表面相同的面。在传递模塑树脂的下表面形成有脚12a。

图2是本发明的实施方式1的功率块10的平面图。在图2中，为了使功率块10的内部结构可视化，省略了传递模塑树脂12的记载。绝缘基板22被密封在功率块10的内部。在绝缘基板22上形成有导体图形24、26以及28。导体图形24、26以及28由例如Al或Cu形成。发射极电极16固定在导体图形24上。功率半导体芯片36以及集电极电极14固定在导体图形26上。功率半导体芯片36以IGBT形成。在功率半导体芯片36的上表面形成有发射极和栅极，在下表面形成有集电极。栅极电极18固定在导体图形28上。

利用铝导线W1将功率半导体芯片36的栅极与导体图形28连接。由此，功率半导体芯片36的栅极与栅极电极18电连接。此外，利用铝导线W2将功率半导体芯片36的发射极与导体图形24连接。由此，将功率半导体芯片36的发射极与发射极电极16电连接。此外，将功率半导体芯片36的下表面的集电极与导体图形26电连接。由此，将功率半导体芯片36的集电极与集电极电极14电连接。

图3是图1的Ⅲ-Ⅲ虚线的剖面图。图3是功率块10的包括发射极电极16和栅极电极18的部分的剖面图。为了便于理解，图2中也记载了与图1的Ⅲ-Ⅲ虚线对应的部分。首先，对绝缘基板22的上表面方向进行说明。在绝缘基板22上形成有导体图形24、26以及28。利用无铅焊料30将发射极电极16固定在导体图形24上。利用无铅焊料32将功率半导体芯片36固定在导体图形26上。利用无铅焊料34将栅极电极18固定在导体图形28上。然后，对绝缘基板22的下表面方向进行说明。在绝缘基板22的下表面形成有整个面图形38，该整个面图形38从传递模塑树脂12露出。

图4是图1的Ⅳ-Ⅳ虚线的剖面图。图4是功率块10的包括集电极电极14的部分的剖面图。与图3的情况相同，在图2中也记载了Ⅳ-Ⅳ虚线。利用无铅焊料40将集电极电极14固定在导体图形26上。

如参照图2至图4所说明的那样，集电极电极14、发射极电极16以及栅极电极18（以后，有时将这些统称为三个电极）分别与功率半导体芯片36的集电极、发射极、栅极电连接。此外，三个电极都向绝缘基板22的上方延伸。并且，三个电极在与传递模塑树脂12的外表面中的导体图形24、26以及28的正上方方向的外表面相同的平面上露出。功率半导体芯片36、无铅焊料30、32、34及40、以及导体图形24、26及28被传递模塑树脂12覆盖。对于三个电极来说，除了上表面以外，其他部分都被传递模塑树脂12覆盖。

在本发明的实施方式1的功率块10中，集电极电极14、发射极电极16以及栅极电极18从传递模塑树脂12的外表面中的导体图形24、26以及28的正上方方向的外表面露出。因此，本发明的实施方式1的功率块10能够在与不使用传递模塑树脂的功率块之间确保互换性。

如上所述，根据本发明的实施方式1的功率块10的结构，能够制造如下的功率块：使用无铅焊料和传递模塑树脂提高温度周期变化耐性并降低环境负荷，并且在与未使用这些的功率块之间确保互换性。

实施方式2

参照图5对本发明的实施方式2进行说明。图5是本发明的实施方式2的功率半导体模块的剖面图。功率半导体模块50是将本发明的实施方式1的功率块10等进行封装后的模块。图5是包括发射极电极16和栅极电极18的部分的剖面图。利用无铅焊料52将功率块10的整个面图形38固定在基底板54上。基底板54由Cu、AlSiC或者Cu-Mo等材料形成。

主电极56连接到功率块10的发射极电极16。主电极58连接到集电极电极（主电极58以虚线表示）。主电极56以及58是流过功率半导体芯片36的主电流的电极。栅极信号端子60连接到栅极电极18。栅极信号端子60是将栅极驱动信号向功率半导体芯片36的栅极传送的端子。主电极56及58、以及栅极信号端子60（以后，有时统称为取出电极）由在表面实施了Ni电镀的Cu薄板形成。取出电极经由形成有图形的印刷基板62分别与三个电极连接。

上述结构被外壳64覆盖。即，功率块10、取出电极以及印刷基板62被外壳64覆盖。但是，取出电极的一部分从外壳64的上表面露出到外部。外壳64固定在基底板54的外周部分。以螺钉或硅橡胶等将基底板54和外壳64固定。在外壳64的内部填充有硅胶66。

以往，在功率半导体模块的内部整体中填充高可靠性的高价的硅胶，谋求确保功率块的绝缘。因此，存在不能降低功率半导体模块的成本的问题。此外，存在由于温度周期变化而在硅胶内部产生气泡的情况，存在妨碍功率半导体模块的可靠性的问题。该气泡的发生源是在功率块中所使用的焊料。

根据本发明的实施方式2的功率半导体模块50的结构，能够消除上述问题。功率块10被传递模塑树脂12覆盖，由此，确保功率块10的绝缘。因此，不需要使用高价的硅胶，所以，能够降低功率半导体模块50的成本。此外，功率块10内部的焊料（无铅焊料）被传递模塑树脂12覆盖，所以，能够抑制功率半导体模块内部的气泡。因此，能够制造可靠性高的功率半导体模块。此外，能够得到与本发明的实施方式1的功率块10相同的效果。

实施方式3

参照图6至图15对本发明的实施方式3进行说明。图6是本发明的实施方式3的功率块的立体图。功率块100的大部分被传递模塑树脂12覆盖。集电极电极102、发射极电极104、栅极电极106以及读出电极108从传递模塑树脂12的上表面露出。

图7是本发明的实施方式3的功率块100的平面图。在图7中，为了说明功率块100的内部结构，省略了传递模塑树脂12的记载。绝缘基板22被密封在功率块100的内部。在绝缘基板22上形成有导体图形110、112以及114。

功率半导体芯片120及122、以及集电极电极102固定在导体图形110上。功率半导体芯片120由IGBT形成，功率半导体芯片122由回流二极管形成。发射极电极104固定在功率半导体芯片120以及122的上表面。

栅极电极106固定在导体图形112上。此外，功率半导体芯片120的栅极经由棒状电极130连接到导体图形112上。

读出电极108以及发射极电极104固定在导体图形114上。这样，在本发明的实施方式3的功率块100中，利用导体图形以及电极进行内部的布线，不使用铝导线。

图8是图6的Ⅷ-Ⅷ虚线的剖面图。图8是集电极电极102从传递模塑树脂12露出的部分的剖面图。为了便于理解，在图7中，在与图6的Ⅷ-Ⅷ虚线对应的部分，也记载了Ⅷ-Ⅷ虚线（图7的其他虚线也是同样的）。利用无铅焊料140将圆筒形导体142固定在绝缘基板22上的导体图形110上。利用无铅焊料144将集电极电极102固定在圆筒形导体142上。

此处，参照图9对圆筒形导体142进行说明。图9是圆筒形导体142的立体图。圆筒形导体142是中空圆筒形的形状，在侧面涂敷有无铅焊料140以及144。圆筒形导体142由如下材料构成：从侧面方向进行按押，从而发生变形。

继续进行图8的说明。利用无铅焊料146将功率半导体芯片120固定在导体图形110上。利用无铅焊料148将圆筒形导体150固定在功率半导体芯片120上。利用无铅焊料152将发射极电极104固定在圆筒形导体150上。

同样，利用无铅焊料154将功率半导体芯片122固定在导体图形110上。利用无铅焊料156将圆筒形导体158固定在功率半导体芯片122上。利用无铅焊料160将发射极电极104固定在圆筒形导体158上。

图10是图6的Ⅹ-Ⅹ虚线的剖面图。图10是发射极电极104从传递模塑树脂12露出的部分的剖面图。利用无铅焊料162将圆筒形导体164固定在导体图形114上。利用无铅焊料166将发射极电极104固定在圆筒形导体164上。关于其他的圆筒形导体，如参照图8所说明的那样。

图11是图6的Ⅺ-Ⅺ虚线的剖面图。图11是利用棒状电极130将功率半导体芯片120的栅极和导体图形112连接的部分的剖面图。棒状电极130固定在圆筒形导体168和170上。关于其他圆筒形导体，如参照图8所说明的那样。

图12是图6的Ⅻ-Ⅻ虚线的剖面图。图12是栅极电极106和读出电极108从传递模塑树脂12露出的部分的剖面图。利用无铅焊料172将栅极电极106固定在导体图形112上。利用无铅焊料174将读出电极108固定在导体图形114上。关于圆筒形导体，如参照图8所说明的那样。如上所述，在功率块100中不使用铝布线，利用各电极以及导体图形等进行所需的连接。并且，在集电极电极102以及发射极电极104下固定有圆筒形导体。

在传递模塑的工序中存在如下情况：利用压力将电极按压在功率半导体芯片或绝缘基板上，对功率半导体芯片或绝缘基板产生损伤。但是，在本发明的实施方式3的功率块100中，圆筒形导体142、150、158、164以及其他圆筒形导体固定在集电极电极102以及发射极电极104下。因此，根据该结构，能够抑制由于传递模塑时的压力所导致的针对功率半导体芯片120及122、以及绝缘基板22的损伤。

此外，在进行功率块的多品种展开的情况下，按照各不同厚度的功率半导体芯片，被传递模塑物的总厚度不同。因此，需要根据被传递模塑物的总厚度准备多个模具，在成本方面不优选。但是，根据本发明的实施方式3的功率块100的结构，能够以一组模具对应功率块的多品种展开。即，即使功率半导体芯片的厚度不同，圆筒形导体以对其进行吸收的方式进行变形，所以，能够使传递模塑时的被传递模塑物的总厚度全部均匀。因此，不需要按各厚度不同的芯片准备模具，能够降低成本。

对于本发明的实施方式3的圆筒形导体来说，只要是在传递模塑时将针对功率半导体芯片或绝缘基板的损伤缓和的缓冲导体，形状和材料不被限定。在图13、14以及15中示出圆筒形导体的变形例。

图13是表示使用六棱柱的导体180代替圆筒形导体的例子的立体图。图14是表示使用U形弯曲形状的导体182代替圆筒形导体的例子的立体图。图15是表示使用双U形弯曲形状的导体184代替圆筒形导体的例子的立体图。

Claims (7)

1. 一种功率块，其特征在于，具有：

绝缘基板；

导体图形，形成在所述绝缘基板上；

功率半导体芯片，利用无铅焊料固定在所述导体图形上；

多个电极，与所述功率半导体芯片电连接，并且向所述绝缘基板的上方延伸；以及

传递模塑树脂，以覆盖所述导体图形、所述无铅焊料、所述功率半导体芯片以及所述多个电极的方式形成，

所述多个电极在与所述传递模塑树脂的外表面中的所述导体图形的正上方方向的外表面相同的平面上露出。

2. 如权利要求1所述的功率块，其特征在于，

具有利用无铅焊料固定在所述功率半导体芯片上的缓冲导体，

所述多个电极中的至少一个电极利用无铅焊料固定在所述缓冲导体上，

所述缓冲导体是能够以使所述功率半导体芯片和所述一个电极的距离变化的方式进行变形的形状以及材料。

3. 如权利要求2所述的功率块，其特征在于，

所述缓冲导体是圆筒形导体。

4. 如权利要求2所述的功率块，其特征在于，

所述缓冲导体是六棱柱的导体。

5. 如权利要求所述2的功率块，其特征在于，

所述缓冲导体是U形弯曲形状的导体。

6. 如权利要求所述2的功率块，其特征在于，

所述缓冲导体是双U形弯曲形状的导体。

7. 一种功率半导体模块，其特征在于，具有：

权利要求1至权利要求6的任意一项所述的功率块；

固定在所述功率块下的基底板；以及

覆盖所述功率块的外壳。

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