高可靠性半导体封装件设计

背景技术

有许多功率半导体封装件(package)设计，其中这些设计包括多个可见元件，形成了外部设计：1.基板，具有两个主要功能：机械地支撑单元和提供热管理；2.电源端子和信号端子，这些端子被用于传导电流；3.环氧树脂主体，该主体确保机械支撑和电绝缘，以及保护内部电路免受环境条件的影响。已知的半导体封装件的内部设计主要包括半导体芯片和作为衬底、端子、导线和/或线夹的元件。存在通孔技术(THT)和被设计有螺孔和无螺孔的表面安装器件(SMD)封装件，以及有同心螺孔和长孔的可拧紧封装件，用于组装到散热器。通常，这些可拧紧封装件包括螺母，其被设置在螺母腔内部以便于将母线组件放置在顶侧上。

在已知的封装件设计中，由于环氧树脂封装件内部的由温度循环和在连续温度循环情况下的功率循环而引起的热机械应力，环氧树脂和基板之间可能发生分层。已知的具有螺孔的半导体封装件技术的一个缺点是：特别是耦合到散热器以及母线组件的螺钉元件容易额外增加内部应力和分层。单元内部的拉伸和剪切应力分量主要由螺钉的安装扭矩以及拉力矢量的相反方向引起。因此，内部芯片和周围环氧树脂之间以及衬底和环氧树脂之间可能发生分层。此外，可能会导致芯片和衬底破裂。

发明内容

至少一个实施例包括功率半导体器件封装件。该封装件可以包括具有多个通孔的基板。该封装件还可以包括固定到基板的顶侧的绝缘主体。绝缘主体可以包括用于将一组半导体器件包围在其中的主要部分和多个锁定结构，多个锁定结构沿着主要部分的下周边设置，并且一体地形成在绝缘主体内，其中，多个锁定结构延伸穿过基板。

在另一个实施例中，提供了一种半导体器件封装件组件，包括散热器、固定到散热器的基板和固定到基板顶侧的绝缘主体。绝缘主体可以包括用于将一组半导体器件包围在其中的主要部分和多个锁定结构，多个锁定结构沿着主要部分的下周边设置，并且一体地形成在绝缘主体内，其中，多个锁定结构延伸穿过基板。

在另一个实施例中，提供了一种制造半导体器件封装件组件的方法。该方法可以包括：提供基板，基板包括多个通孔和多个锁定孔；将半导体器件组件固定到基板，其中半导体器件组件包括固定到衬底的至少一个半导体管芯。该方法还可以包括将绝缘主体固定到基板，其中，绝缘主体围绕半导体器件组件，其中，固定绝缘主体包括：将绝缘主体形成为单片可模制材料(monolithic moldable material)，其中，单片可模制材料流入多个锁定孔。

附图说明

图1示出了常规半导体器件模块的示意图；

图2示出了作用在如图1的半导体器件模块中的半导体器件封装件上的力的示意图；

图3示出了图2的半导体器件封装件的分层的情况；

图4A示出了根据本公开的实施例的半导体器件封装件的侧截面图；

图4B示出了根据本公开的实施例的图4A的半导体器件封装件的锁定结构的特写；

图5A示出了根据本公开的实施例的半导体器件封装件的一部分的俯视图；

图5B示出了根据本公开的实施例的另一半导体器件封装件的一部分的俯视图；以及

图6示出了根据本公开的另一个实施例的半导体器件封装件的俯视等距视图。

具体实施方式

下文将参考附图更全面地描述本实施例，附图中显示了示例性实施例。实施例不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将它们的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的数字始终指代相同的元件。

在以下描述和/或权利要求中，术语“在…上”、“覆盖”、“设置在”和“上方”可被用于以下描述和权利要求中。“在…上”、“覆盖”、“设置在”和“上方”可被用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“在…上”、“覆盖”、“设置在”和“上方”可以意为两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“上方”可以意为一个元件在另一个元件上方但彼此不接触，并且在两个元件之间可以具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以意为“和”，它可以意为“或”，它可以意为“排他性的或”，它可以意为“一个”，它可以意为“一些，但不是全部”，它可以意为“两者都不”，和/或还可以意为“两者都”，尽管要求保护的主题的范围在这方面不受限制。

图1示出了根据传统技术布置的参考部件的示意图，该参考部件被示出为半导体器件模块100。半导体器件模块100包括散热器109、使用在通孔104内延伸的一对螺钉108固定到散热器109的基板101。主体103被固定到基板101，诸如环氧树脂主体。通常，主体103可以由转移模具化合物形成。一组半导体器件110被容纳在主体103内。使用螺钉105和螺母106通过环氧树脂将端子102嵌入主体103中。螺母106位于腔体107内。可选地，螺钉105可能已经被放置。

图2示出了作用于如图1的半导体器件模块100中的半导体器件封装件上的力的示意图。在该示例中，母线111被附接到端子102。图2还示出了可以作用在半导体器件模块100上的力的方向。特别地，由于环氧树脂封装件内部的由温度循环和在连续温度循环情况下的功率循环而引起的热机械应力，环氧树脂和基板之间可能发生分层。在极端示例中，图3示出了图2的半导体器件封装件的分层的情况。这种情况突出了半导体器件模块100的缺点。尤其是用于将基板101固定到散热器109的元件以及母线组件能够增加导致可能分层的内部应力。因此，半导体器件模块100内部的拉伸和剪切应力分量可能导致分层，如在所示笛卡尔坐标系的Z方向上作用的箭头所示。也可能存在作用在X和y方向上的力，其倾向于导致分层。

在本公开的各种实施例中，提供了一种新颖的主体结构和基板结构，以便减少半导体封装件模块的分层。如下所述，这些实施例可以包括基板内的锁定孔，特别是具有倒角形状的锁定孔。这些锁定孔被设计用于将基板和环氧树脂主体保持在一起。在一些实施例中，如下所述，这些锁定孔用环氧树脂填充，并且被定位在螺钉头或另一种紧固件的头部的下面。这种设计特征减少了分层的趋势，因为螺钉元件可以迫使主体保持在适当位置并良好地连接到基板。

现在转向图4A，显示了根据本公开的实施例的半导体器件封装件200的侧截面图。半导体器件封装件200可以包括基板201，其中基板201包括多个通孔。两个通孔在图4A中被显示为通孔204。半导体器件封装件200还可以包括绝缘主体203，诸如环氧树脂主体或由另一合适材料制成的主体。如图所示，绝缘主体203被固定到基板201的顶侧。绝缘主体203包括主要部分203A，其可以用作外壳，以便在其中包围一组半导体器件。绝缘主体203的主要部分203A没有以横截面示出，并且因此，这些器件在图4A中不可见，但是作为半导体器件的示例，参见图1。在各种实施例中，各种半导体器件，例如晶闸管、二极管等可以被包含在绝缘主体203中。

绝缘主体203还包括多个锁定结构，被示出为锁定结构212，其中多个锁定结构沿着主要部分203A的下周边设置。注意，锁定结构212可以被一体形成在绝缘主体203内，其中锁定结构212被填充有环氧树脂，其以环氧树脂延伸穿过基板201的方式结合到主要部分203A。换句话说，锁定结构212是通过填充一组锁定孔212C而形成的，该组锁定孔212C最初存在于基板201中，并且随后被填充有环氧树脂材料或与绝缘主体材料相同的其他材料。因而，绝缘主体203可以由可流动、可模制或粘性的前体材料形成，其中，绝缘主体203可以形成为复杂形状，包括主要部分203A和与主要部分203A一体形成的锁定结构212。换句话说，绝缘主体203包括主要部分203加上在一个处理步骤中一起形成的“n”个锁定结构212，其中n的值可以是2、4、6或其他合适的数字，这取决于半导体器件封装件的确切设计。

如图4A所示，并且更具体地如图4B所示，锁定结构212至少在下部可以具有倒角形状。在图4B中，存在上倒角部分212A以及下倒角部分212B。这些部分用于将主要部分203A机械地锁定到基板201。如图4B中进一步所示，不是与锁定结构和基板201的顶部形成锐角，而是绝缘体203可以被设计成在主要部分203A和锁定结构212之间延伸的弯曲部分214中具有合适的半径，从而提供额外的应力减小、更少的分层和更少的裂纹萌生。

在各种实施例中，在基板的主平面内观察，锁定结构的倒角部分可以具有各种类型的形状。图5A示出了半导体器件封装件的一部分的俯视图，而图5B示出了另一半导体器件封装件的一部分的俯视图，并且图6示出了半导体器件封装件的俯视等距视图，其中这些图中的每一个都是根据本公开的不同实施例布置的。在图5A中，半导体器件封装件300包括基板301、通孔304以及锁定结构312，锁定结构312在基板301的主平面(页面的平面)内具有圆形形状。在图5B中，半导体器件封装件320包括基板321、通孔304以及具有细长形状的锁定结构322。在图6中，半导体器件封装件340包括基板349、绝缘主体343、端子342、通孔344以及具有回旋镖形状(boomerang shape)的锁定结构352。在图5A、图5B和图6的所有这些实施例中，相应锁定结构可以被设置在与给定通孔相邻的位置。此外，在所有这些实施例中，当在横截面中观察时，相应的锁定结构可以具有倒角形状，如图4A和图4B大体所示。在各种附加实施例中，如果设计提供用于锁定绝缘主体的主要部分和基板，则任何类型的锁定结构设计都是可能的。这种附加实施例可以包括矩形结构、立方体结构、凯格尔结构或梯形结构，仅举几个非限制性的示例。

如上所述，可以使用分别设置在多个通孔内的多个紧固件，将给定基板固定到设置在基板下方的散热器。紧固件可以是螺钉、螺栓或类似的紧固件。回到图4A，示出了一个实施例，其中被示出为螺钉208的多个螺钉被设置在通孔204中，并且被用作紧固件以将基板201固定到散热器209。如图4A所示，通过提供具有倒角形状的锁定结构212，位于附近通孔中的螺钉或类似紧固件的头部可以在相邻锁定结构的一部分上方延伸。因此，当螺钉208被拧紧以将基板201固定到散热器209时，螺钉208的头部也在锁定结构212的上表面的顶部上施加力，并且可以进一步用作阻止锁定结构212向上移动的止动件(stop)，并且相应地防止主部分203A相对于基板201分层。当合适的紧固件被施加穿过相应的通孔以便将相应的基板紧固到散热器时，这同样适用于图5A-6的实施例。

虽然已经参考某些实施例公开了本实施例，但在不脱离本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的，如所附权利要求中所限定的。因此，本实施例不限于所描述的实施例，并且可以具有由以下权利要求及其等同物的语言限定的全部范围。