CN117012733B - 功率半导体封装结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体封装技术领域，公开一种功率半导体封装结构及制造方法。功率半导体封装结构包括散热座、散热板、绝缘板和功率半导体器件，散热座形成有冷却通道，散热板搅拌摩擦焊接于散热座开设冷却通道的一侧，绝缘板设有若干装配孔，绝缘板塑封于散热板背向散热座的一侧，功率半导体器件可通过装配孔与散热板背向散热座的一侧接触，烧结于散热板背向散热座的一侧。本申请实施例可以减少零部件的加工误差对功率半导体的封装结构生产合格率和封装效果造成的不良影响。

Description

功率半导体封装结构及制造方法

技术领域

本申请涉及半导体封装技术领域，尤其是一种功率半导体封装结构及制造方法。

背景技术

半导体的封装结构通常用于容纳和保护来自不同半导体技术的包括硅、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等的半导体芯片。

现有技术中，功率半导体的封装结构的零部件通常是通过密封圈+螺丝锁付装配，零部件之间的装配需要考量各零部件的加工误差，而通常来说每个零部件是由不同厂商进行生产的，零部件的加工误差难以管控，影响功率半导体的封装结构的生产合格率以及封装效果。

发明内容

本申请的目的是提供一种功率半导体封装结构及制造方法，旨在解决零部件的加工误差对功率半导体的封装结构生产合格率和封装效果造成不良影响的技术问题。

本申请实施例提供一种功率半导体封装结构，包括：

散热座，形成有冷却通道；

散热板，搅拌摩擦焊接于所述散热座开设所述冷却通道的一侧；

绝缘板，设有若干装配孔，塑封于所述散热板背向所述散热座的一侧；

功率半导体器件，可通过所述装配孔与所述散热板背向所述散热座的一侧接触，烧结于所述散热板背向所述散热座的一侧。

进一步，所述散热座设有两间隔设置的挡板，两所述挡板与所述散热座的底面形成所述冷却通道，所述挡板远离所述散热座的底面的一侧与所述散热板焊接。

进一步，所述挡板的焊接侧形成有第一承接部，所述散热座的的焊接侧形成有第二承接部，所述第一承接部和所述第二承接部相互嵌合。

进一步，所述散热板靠近所述绝缘板的一侧设有若干凸台，所述凸台可穿过所述装配孔并到达所述绝缘板背向所述散热座的一侧，所述功率半导体器件烧结于所述凸台。

进一步，所述散热板靠近所述散热座的一侧设有散热体，所述散热体自所述散热板表面延伸至所述冷却通道内。

进一步，所述装配孔呈阵列排布，所述绝缘板设有若干档条，所述档条设置于相邻两所述装配孔之间或相邻两列的两所述装配孔之间。

进一步，所述绝缘板自所述散热板延伸至所述散热座，环绕包覆所述散热板。

进一步，所述装配孔和所述功率半导体器件的数量为18个。

进一步，所述散热座和所述散热板由铝合金、镁合金或铜合金制成。

本申请实施例还提供一种功率半导体封装结构的制造方法，用于制造如上所述的功率半导体封装结构，所述制造方法包括：

将散热板组装至散热座开设冷却通道的一侧，通过搅拌摩擦焊接工艺焊接散热板的板体边缘和散热座的座体边缘，形成致密的固相焊缝；

将焊接后的散热座和散热板固定于塑封模具，塑封模具内注入液态环氧树脂，使液态环氧树脂固化时覆盖散热板背向散热座的一侧并形成干装配孔，完成绝缘板的注塑；

将功率半导体器件放置于散热板处于装配孔范围内的区域，对功率半导体器件进行烧结处理。

本申请的有益效果：通过搅拌摩擦焊接和塑封实现零部件的装配，零部件在搅拌摩擦焊焊接过程中残余应力小、收缩小和变形小，焊缝无熔焊气孔缺陷，焊接质量稳定，在电驱使用环境中，不会出现类似传统结构的螺丝应力松弛以及密封圈老化漏水等可靠性失效状况，通过塑封工艺实现装配可以减少装配、加工误差，成型结构稳定，可以预留更多功率半导体器件和散热板之间的的接触面积，提升封装结构的散热性能，降低芯片的结温，减少零部件的加工误差对功率半导体的封装结构生产合格率和封装效果造成的不良影响。

附图说明

图1是一实施例提供的功率半导体封装结构的爆炸结构示意图。

图2是一实施例提供的功率半导体封装结构的结构示意图。

图3是一实施例提供的散热座的结构示意图。

图4是一实施例提供的散热板的结构示意图。

图5是一实施例提供的绝缘板的结构示意图。

图6是一实施例提供的功率半导体封装结构的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

半导体芯片可以被配置为具有各种不同器件类型，例如微处理器、分立器件、放大器、控制器、传感器等。在半导体封装中，半导体芯片安装到芯片焊盘。半导体封装典型地包括诸如塑料、树脂或者陶瓷的电绝缘包封体材料，其密封和保护集成电路使其避免受到潮气和灰尘颗粒的影响，导电引线连接到包封的集成电路的各种端子，并且可从半导体封装外部访问。

相关技术中，功率半导体的封装结构的零部件通过密封圈+螺丝锁付装配，然后将功率半导体芯片安装到芯片焊盘上，制造过程繁琐，批量生产时需要大量人工或工装夹具设备，零部件之间装配需要考量各零部件的加工误差，比如散热底板与冷却水道的装配孔位置度、翘曲，绝缘片与散热底板的装配孔位置度、翘曲等，由于每个零部件出自不同厂商，为保证各零部件可以正常组装，需要加严公差管控，增加制造成本。

基于此，本申请实施例提供一种功率半导体封装结构及制造方法，通过搅拌摩擦焊接和塑封实现零部件的装配，以解决零部件的加工误差对功率半导体的封装结构生产合格率和封装效果造成不良影响的技术问题。

本申请实施例提供的功率半导体封装结构及制造方法，具体通过如下实施例进行说明，首先描述本申请实施例中的功率半导体封装结构。

参阅图1至图2，在一实施例中，功率半导体封装结构包括散热座100、散热板200、绝缘板300和功率半导体器件400。

其中，散热座100形成有冷却通道110，散热板200搅拌摩擦焊接于散热座100开设冷却通道110的一侧，绝缘板300设有若干装配孔310，绝缘板300塑封于散热板200背向散热座100的一侧，功率半导体器件400可通过装配孔310与散热板200背向散热座100的一侧接触，功率半导体器件400烧结于散热板200背向散热座100的一侧。

搅拌摩擦焊接是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针(weldingpin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。

在焊接过程中，将散热座100和散热板200刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿散热座100和散热板200的接缝与散热座100和散热板200相对移动，焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与散热座100和散热板200表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入散热座100和散热板200的接缝中，旋转搅拌头与散热座100和散热板200之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝，实现将散热板200搅拌摩擦焊接于散热座100开设冷却通道110的一侧。

塑封是一种将芯片或器件覆盖模塑料进行保护的封装工艺。通过塑封，使得原先裸露于外界的芯片、器件及连接线路通过外部塑封体得到保护，免受外界环境对芯片、器件及连接线路造成的侵袭，避免产品失效。

在塑封过程中，在散热板200和散热座100上涂敷或灌封电子硅凝胶进行保护，然后将散热座100和散热板200固定于塑封模具，注塑机在塑封模具内注入液态环氧树脂，使液态环氧树脂固化时覆盖散热板200背向散热座100的一侧并形成干装配孔310，完成绝缘板300的注塑，塑成形的绝缘板300开设若干个装配孔310，注塑成形的绝缘板300覆盖散热板200背向散热座100的一侧。

烧结主要机理是通过高温、高压下对原始材料的烧结，使得材料分子间距更加密集，形成更加牢固的化学键，这种化学键可以提高芯片的电性能、力学性能以及抗氧化性能。同时，真空烧结还可以将芯片表面的污染物清除，提高芯片的表面质量和透明度。烧结可以帮助芯片原始材料实现高温烧结成型，从而增加芯片的密度和硬度，提高芯片的性能和可靠性。在芯片制造过程中，真空烧结可以采用多种工艺，包括热压烧结、电子束烧结、等离子烧结等等。

在烧结过程中，功率半导体器件400的安装位置、管脚V沟上点入适量的焊锡膏，采用自动上芯裁片机在引线框架上装入功率半导体器件400，分别在功率半导体器件400的K区、G区位置点上适量的焊锡膏，在功率半导体器件400及引线框架管脚上贴上铜片，铜片采用卷带式设计，在自动上芯裁片机上根据卷带两侧的定位孔定位，冲裁后真空吸嘴将其吸到已经点好焊锡膏的功率半导体器件400及引线框架上，卷带两侧设置保护脚保护铜片，将装好铜片并经预烘的引线框架装入石墨治具放入烧结炉烧结，将装好工件的石墨治具放入具有保护和还原气体即氮气和氢气的炉膛内完成焊料中助焊剂的挥发、焊料的熔化、工件的冷却等过程，从而完成芯片与铜片的焊接烧结，将烧结完成的工件经清洗去除助焊剂残留后再经环氧树脂包封及其他工序后完成产品的封装过程。

下面对本申请实施例的功率半导体封装结构的具体结构进行说明。

参阅图3，在一实施例中，散热座100设有两间隔设置的挡板120，两挡板120与散热座100的底面形成冷却通道110，挡板120远离散热座100的底面的一侧与散热板200焊接。具体而言，散热座100的本体以及两块挡板120之间的空间形成冷却通道110，散热座100的本体作为底板，两块侧板沿散热座100的长度方向间隔设置，作为侧板，董办远离散热座100的底面的一侧焊接散热板200之后，冷却通道110前后两端留有开口，用于引入和排除散热介质，散热介质于冷却通道110内时与散热板200的靠近散热座100的一侧表面接触，使散热板200降温。其中，散热介质可以是冷空气或散热水体(例如，冷却水)。

参阅图1、图3和图4，更为具体地，挡板120的焊接侧形成有第一承接部130，散热板200的焊接侧形成有第二承接部210，第一承接部130和第二承接部210相互嵌合。挡板120和散热板200通过第一承接部130和第二承接部210相互嵌合，其中，第一承接部130靠近散热座100中心的一侧向内凹陷以形成槽位结构，第二承接部210远离散热板200中心的一侧向内凹陷以形成槽位结构，第一承接部130形成的槽位结构和第二承接部210形成的槽位结构相互适配，第一承接部130和第二承接部210相互抵接后，挡板120和散热板200相互嵌合。

参阅图1、图2和图4，在一实施例中，散热板200靠近绝缘板300的一侧设有若干凸台220，凸台220可穿过装配孔310并到达绝缘板300背向散热座100的一侧，功率半导体器件400烧结于凸台220。具体而言，凸台220自散热板200靠近绝缘板300的一侧凸起，用于放置功率半导体器件400，绝缘板300上开设的装配孔310的位置和尺寸与凸台220的位置和尺寸相适配，凸台220穿过装配孔310之后不低于散热板200。其中，散热板200由散热导体制成，散热板200和凸台220一体成型。

参阅图2和图4，散热板200靠近散热座100的一侧设有散热体230，散热体230自散热板200表面延伸至冷却通道110内。具体而言，散热体230自散热板200靠近散热座100的一侧表面延伸而出，通过与冷却水道内的散热截止接触，增大散热体230与散热介质的接触面积，实现降低散热体230问题的效果。

参阅图5，在一实施例中，装配孔310呈阵列排布，绝缘板300设有若干档条320，档条320设置于相邻两装配孔310之间或相邻两列的两装配孔310之间。具体而言，装配孔310和散热板200上的凸台220排列成两列，每列中相邻的两个装配孔310之间设置至少一个档条320，相邻列的装配孔310之间设置至少一个档条320，用于对透过装配孔310与散热板200固定的功率半导体器件400进行隔离，避免相邻的两个功率半导体形成干扰。

参阅图2，在一实施例中，绝缘板300自散热板200延伸至散热座100，环绕包覆散热板200。

在一实施例中，装配孔310和功率半导体器件400的数量为18个。

在一实施例中，散热座100和散热板200由铝合金、镁合金或铜合金制成。

参阅图6，本申请实施例还提供一种功率半导体封装结构的制造方法，用于制造如上的功率半导体封装结构，制造方法包括：

步骤S601，将散热板组装至散热座开设冷却通道的一侧，通过搅拌摩擦焊接工艺焊接散热板的板体边缘和散热座的座体边缘，形成致密的固相焊缝；

步骤S602，将焊接后的散热座和散热板固定于塑封模具，塑封模具内注入液态环氧树脂，使液态环氧树脂固化时覆盖散热板背向散热座的一侧并形成干装配孔，完成绝缘板的注塑；

步骤S603，将功率半导体器件放置于散热板处于装配孔范围内的区域，对功率半导体器件进行烧结处理。

该功率半导体封装结构的制造方法的具体实施方式与上述功率半导体封装结构的具体实施例基本相同，在此不再赘述。

综上，本申请实施例提供的功率半导体封装结构及制造方法，通过搅拌摩擦焊接和塑封实现零部件的装配，零部件在搅拌摩擦焊焊接过程中残余应力小、收缩小和变形小，焊缝无熔焊气孔缺陷，焊接质量稳定，在电驱使用环境中，不会出现类似传统结构的螺丝应力松弛以及密封圈老化漏水等可靠性失效状况，通过塑封工艺实现装配可以减少装配、加工误差，成型结构稳定，可以预留更多功率半导体器件和散热板之间的的接触面积，提升封装结构的散热性能，降低芯片的结温，减少零部件的加工误差对功率半导体的封装结构生产合格率和封装效果造成的不良影响。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种功率半导体封装结构，其特征在于，包括：

散热座，形成有冷却通道；

散热板，搅拌摩擦焊接于所述散热座开设所述冷却通道的一侧；

绝缘板，设有若干装配孔，塑封于所述散热板背向所述散热座的一侧；

功率半导体器件，可通过所述装配孔与所述散热板背向所述散热座的一侧接触，烧结于所述散热板背向所述散热座的一侧；

所述散热座设有两间隔设置的挡板，两所述挡板与所述散热座的底面形成所述冷却通道，所述挡板远离所述散热座的底面的一侧与所述散热板焊接。

2.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述挡板的焊接侧形成有第一承接部，所述散热座的的焊接侧形成有第二承接部，所述第一承接部和所述第二承接部相互嵌合。

3.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述散热板靠近所述绝缘板的一侧设有若干凸台，所述凸台可穿过所述装配孔并到达所述绝缘板背向所述散热座的一侧，所述功率半导体器件烧结于所述凸台。

4.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述散热板靠近所述散热座的一侧设有散热体，所述散热体自所述散热板表面延伸至所述冷却通道内。

5.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述装配孔呈阵列排布，所述绝缘板设有若干档条，所述档条设置于相邻两所述装配孔之间或相邻两列的两所述装配孔之间。

6.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述绝缘板自所述散热板延伸至所述散热座，环绕包覆所述散热板。

7.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述装配孔和所述功率半导体器件的数量为18个。

8.根据权利要求1所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述散热座和所述散热板由铝合金、镁合金或铜合金制成。

9.一种功率半导体封装结构的制造方法，用于制造权利要求1至8任一项所述的功率半导体封装结构，其特征在于，所述制造方法包括：

将散热板组装至散热座开设冷却通道的一侧，通过搅拌摩擦焊接工艺焊接散热板的板体边缘和散热座的座体边缘，形成致密的固相焊缝；

将焊接后的散热座和散热板固定于塑封模具，塑封模具内注入液态环氧树脂，使液态环氧树脂固化时覆盖散热板背向散热座的一侧并形成干装配孔，完成绝缘板的注塑；

将功率半导体器件放置于散热板处于装配孔范围内的区域，对功率半导体器件进行烧结处理。