本发明属于高压功率半导体器件技术领域。涉及一种悬浮压接功率半导体模块。具体为一种性能有大幅度改善的大电流功率半导体模块。主要应用于ups电源、高压软启动电源、高压静止无功补偿电源、高压直流输电等领域。
背景技术：
传统的功率半导体模块芯片，其内部构造是：半导体芯片 稀有金属钼通过焊料高温焊接而成，由于单晶硅晶片和金属钼之间存在焊接应力导致功率半导体模块使用的芯片发生弯曲形变，同时由于焊接焊料的关系，在单晶硅晶片和金属钼的焊接存在空洞，由于以上原因严重影响功率半导体模块的性能，特别是高电压、大电流产品的性能，高温焊接导致的物理形变使其耐久性、可靠性无法满足新的需求，因此，必须采用新的半导体器件结构和工艺技术。
技术实现要素：
本发明针对上述不足，提供一种全新芯片内部结构的悬浮压接功率半导体模块，可消除以前芯片高温焊接产生的形变和应力，能满足客户对模块产品提出的高电压、大电流的要求。
本发明的技术解决方案是：一种悬浮压接功率半导体模块，包括模块底板、绝缘导热片、金属a电极、功率半导体芯片、门极组件、金属k电极和模块塑料外壳，其特征在于：还包括下钼圆片和上钼圆片；所述上钼圆片中心设有安装孔；所述门极引线组件卡入该安装孔内定位，引出门极控制极；所述金属a电极、下钼圆片、功率半导体芯片、上钼圆片、门极引线组件和金属k电极依次为压接接触（欧姆接触）。
本发明的技术解决方案中所述的模块塑料外壳内形成密封腔体，该密封腔体内充有凝胶或者环氧树脂从而既保证各部件相互接触良好，又防止芯片氧化或高压打火。
本发明的技术解决方案中所述的功率半导体芯片的边缘两面双负角台面设有环形直角圆柱形绝缘保护硅胶环，双面表面台面设有2-4层高纯度高绝缘性的聚酰亚胺钝化层。
本发明的技术解决方案中所述的硅胶环外层表面设有凹槽，增加爬电距离。
本发明的技术解决方案中所述的钼圆片和上钼圆片的上下表面、金属a电极和金属k电极的内外表面为研磨面，面平面度和平行度小于10微米。
本发明的技术解决方案中所述的上钼圆片、下钼圆片的表面涂镀有钌钝化层，防止上钼圆片、下钼圆片热氧化。
本发明的技术解决方案中所述的功率半导体芯片的阴、阳极表面涂覆10-100微米厚的金属导电层。
本发明的技术解决方案中所述的功率半导体芯片与上钼圆片和下钼圆片之间为悬浮压接接触。
本发明的技术解决方案中所述的功率半导体芯片的边缘两面双负角台面上的绝缘保护硅胶环分别与上钼圆片、下钼圆片定位配合。
本发明的技术解决方案中所述的功率半导体芯片的边缘两面双负角的台面造型角度在0.5°与35°之间。
本发明由于采用由金属a电极、下钼圆片、功率半导体芯片、上钼圆片、门极组件、金属k电极和模块塑料外壳组装而成的半导体器件，因而功率半导体芯片与上下钼圆片直接压接而不再用传统工艺的高温焊接，这样就消除了以前芯片高温焊接而产生的形变和应力，进而保证了器件特性的稳定性和可靠性。
本发明由于在功率半导体芯片的两个pn结边缘采用台面造型，并采用两面双负角台面造型工艺，降低了表面电场强度，有利于半导体芯片击穿电压的提高，其台面造型角度θ大小为：0.5°≤θ≤35°；与以前的单面台面造型相比，在工艺上既简单易行容易实现，又有利于台面表面保护，同时减少了阴极面、阳极面导电面积的损失，利于芯片通流能力提高。
本发明由于在功率半导体芯片边缘的台面造型保护上采用强电场绝缘保护技术，使功率半导体芯片能承担较大的雪崩击穿电压而不易击穿；加上双面台面表面保护，采用2-4层多层高纯度高绝缘性的聚酰亚胺等有机保护材料进行表面钝化，提高了器件的稳定性和可靠性。功率半导体芯片双面台面保护硅胶环外观为环形直角圆柱形，增加了表面爬电距离，更有利于功率半导体芯片承受更高的表面击穿电压；同时也有利于功率半导体芯片双面中心放置钼圆片，利用保护硅胶环内圆对上、下钼圆片进行定位。
本发明具有可消除以前芯片高温焊接产生的形变和应力，能满足电压1000v以上和芯片直径4吋以上的高压半导体器件要求的特点。本发明主要用于高压软启动电源、高压静止无功补偿电源、高压脉冲功率电源、高压直流输电等领域的高压半导体器件。
附图说明
图1本发明悬浮压接功率半导体模块的结构示意图。
图中：1.模块底板；2.绝缘导热片；3.金属a电极；4.下钼圆片；5.功率半导体芯片；6.上钼圆片；7.门极组件；8.金属k电极；9.模块塑料外壳。
具体实施方式
下面结合图1对本发明作进一步说明。
如图1所示。悬浮压接功率半导体模块包括模块底板1、绝缘导热片2、金属a电极3、下钼圆片4、功率半导体芯片5、上钼圆片6、门极组件7、金属k电极8和模块塑料外壳9，采用机械悬浮压接封装而成。
模块底板1、绝缘导热片2、金属a电极3、门极组件7、金属k电极8和模块塑料外壳9与现有功率半导体模块中的对应相同。不同的是功率半导体芯片5与上钼圆片6与下钼圆片4之间的连接方式、门极组件7的安装位置、以及功率半导体芯片5的外形及表面处理。
功率半导体芯片5的边缘两面双负角台面设有环形直角圆柱形绝缘保护硅胶环，双面表面台面设有2-4层高纯度高绝缘性的聚酰亚胺等有机保护材料钝化层，高纯度高绝缘性是指符合常规要求的纯度及绝缘指标。硅胶环外层表面设有凹槽。功率半导体芯片5的边缘两面双负角台面上的绝缘保护硅胶环分别与上钼圆片6、下钼圆片4定位配合。功率半导体芯片5的边缘两面双负角的台面造型角度θ大小为：0.5°≤θ≤35°。功率半导体芯片5的阴阳极表面涂覆10-100微米厚的金属导电层。
钼圆片6中心设有安装孔，门极引线组件7卡入该安装孔内定位，引出门极控制极。下钼圆片4和上钼圆片6的上下表面、金属a电极3和金属k电极8的内外表面为研磨面，面平面度和平行度小于10微米。上钼圆片6、下钼圆片4的表面涂镀有稀有金属如：钌钝化层。金属a电极3、下钼圆片4、功率半导体芯片5、上钼圆片6、门极引线组件7和金属k电极8依次为压接接触。功率半导体芯片5与上钼圆片6和下钼圆片4之间为悬浮压接接触。模块塑料外壳9内形成密封腔体，该密封腔体内充有凝胶或者环氧树脂。
采用悬浮压接工艺后，功率半导体芯片5与上、下钼圆片4、6直接压接而不用高温焊接，消除了以前芯片因烧结变形而产生的应力，更利于芯片向更大直径和更高电压发展。
组装过程简洁方便，直接一级一级往上放就行，都有自定位机构，底板上直接安装外壳、再放绝缘导热片2、金属a电极3、下钼圆片4、半导体芯片5、门极组件7、上钼圆片6、金属k电极8。模块内部功率半导体芯片5与上、下钼圆片4和6在外部压力作用下实现悬浮压接接触，上钼圆片6、下钼圆片4的上下表面、金属a电极3和金属k电极8内外表面为研磨面，面平面度和平行度要求小于10微米。上、下钼圆片4、6表面涂镀钝化材料防止钼圆片热氧化，半导体芯片5阴阳极表面涂覆较厚的金属导电层。器件内部用凝胶密封，从而既保证各部件相互接触良好，又防止芯片高压打火。
1.一种悬浮压接功率半导体模块，包括模块底板（1）、绝缘导热片（2）、金属a电极（3）、功率半导体芯片（5）、门极组件（7）、金属k电极（8）和模块塑料外壳（9），其特征在于：还包括下钼圆片（4）和上钼圆片（6）；所述上钼圆片（6）中心设有安装孔；所述门极引线组件（7）卡入该安装孔内定位，引出门极控制极；所述金属a电极（3）、下钼圆片（4）、功率半导体芯片（5）、上钼圆片（6）、门极引线组件（7）和金属k电极（8）依次为压接接触。
2.根据权利要求1所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的模块塑料外壳（9）内形成密封腔体，该密封腔体内充有凝胶或者环氧树脂。
3.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的功率半导体芯片（5）的边缘两面双负角台面设有环形直角圆柱形绝缘保护硅胶环，双面表面台面设有2-4层聚酰亚胺钝化层。
4.根据权利要求3所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的硅胶环外层表面设有凹槽。
5.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的下钼圆片（4）和上钼圆片（6）的上下表面、金属a电极（3）和金属k电极（8）的内外表面为研磨面，面平面度和平行度小于10微米。
6.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的上钼圆片（6）、下钼圆片（4）的表面涂镀有钌钝化层。
7.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的功率半导体芯片（5）的阴阳极表面涂覆10-100微米厚的金属导电层。
8.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的功率半导体芯片（5）与上钼圆片（6）和下钼圆片（4）之间为悬浮压接接触。
9.根据权利要求1或2所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的功率半导体芯片（5）的边缘两面双负角台面上的绝缘保护硅胶环分别与上钼圆片（6）、下钼圆片（4）定位配合。
10.根据权利要求3或4所述的悬浮压接功率半导体模块，其特征在于：所述的功率半导体芯片（5）的边缘两面双负角的台面造型角度在0.5°与35°之间。
技术总结