申请/专利权人：捷捷半导体有限公司

申请日：2019-08-03

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN110310944B

主分类号：H01L23/62

分类号：H01L23/62;H01L23/488

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.11.01#实质审查的生效;2019.10.08#公开

摘要：本发明涉及电力电子器件技术领域，本发明公开了一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，包括三端大功率芯片、阳极外引线、阴极外引线和控制极外引线，以及阴极内引线、控制极内引线、绝缘衬垫，低温柱状导电焊材，以及绝缘衬垫及柱状导电焊材之间的空气间隙，所述绝缘衬垫预制于阴极内引线上。当大功率半导体器件在失效或由故障诱发的失效过程中，会使器件的温度急剧升高，当温度升高到预置柱状低温导电焊材的熔点时，焊材融化填充空气间隙，造成阴极内引线与芯片间开路，从而使器件失效或失效之前开路，从而保护本器件驱动回路安全。

主权项：1.一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：包括三端大功率芯片（1）、阳极外引线（2）、阴极外引线（3）和控制极外引线（4），以及阴极内引线（5）、控制极内引线（9）、绝缘衬垫（6），低温柱状导电焊材（7），以及绝缘衬垫（6）及柱状导电焊材（7）之间的空气间隙（8），所述绝缘衬垫（6）预制于阴极内引线（5）上，所述阳极外引线（2）与三端大功率芯片（1）的阳极相连，所述三端大功率芯片（1）的阴极与阴极内引线的绝缘衬垫（6）及低温柱状导电焊材（7）相连，所述阴极内引线（3）的引出端与阴极外引线（4）相连，所述控制极内引线（9）的一端与三端大功率芯片（1）的控制极相连，且另一端与控制极外引线（4）相连；所述低温柱状导电焊材（7），在选择具体的焊料合金时，需综合以下条件选择；（A）大功率半导体器件的最高工作结温；（B）焊料合金的固相线温度；（C）焊料合金液相线温度；（D）焊料合金的固相温度高于大功率半导体器件的正常工作温度；（E）焊料合金的液相线温度低于大功率半导体器件的最高工作结温。

全文数据：一种具有失效开路特征的大功率半导体器件技术领域本发明涉及电力电子器件技术领域，具体为一种具有失效开路特征的大功率半导体器件。背景技术功率半导体器件又称电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件，功率器件包括电力二极管、晶闸管、GTR、GTO、电力MOSFET、及IGBT等。在实际应用中，假如发生负载短路故障，过量电流将流经功率器件芯片直到过热失效，这是功率半导体器件常见失效模式中的一种。最终的失效现象都是短路失效，从而引起驱动负载损坏（比如电机烧毁），电网系统瘫痪，甚至引起电气火灾等严重问题。因此，当它变得太热时并且在器件失效之前，需要能够关断流经器件电流。然而，为了限制成本，需要用尽量少的附加部件来实现这种电路。发明内容为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，通过故障过程产生的热量，使器件开路，保证了本器件既不会出现短路失效模式也不会出现炸裂等危险情况，可靠性高，安全性好。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，包括三端大功率芯片、阳极外引线、阴极外引线和控制极外引线，以及阴极内引线、控制极内引线、绝缘衬垫，低温柱状导电焊材，以及绝缘衬垫及柱状导电焊材之间的空气间隙，所述绝缘衬垫预制于阴极内引线上，所述阳极外引线与三端大功率芯片的阳极相连，所述三端大功率芯片的阴极与阴极内引线的绝缘衬垫及低温柱状导电焊材相连，所述阴极内引线的引出端与阴极外引线相连，所述控制极内引线的一端与三端大功率芯片的控制极相连，且另一端与控制极外引线相连。优选的，所述绝缘衬垫为氧化铝或氮化铝或其他耐高温绝缘材料。优选的，所述绝缘衬垫的厚度最小值应为1.5mm，且保证低温柱状导电焊材熔化后有足够的爬电距离。优选的，所述低温柱状导电焊材，在选择具体的焊料合金时，需综合以下条件选择；（A）大功率半导体器件的最高工作结温；（B）焊料合金的固相线温度；（C）焊料合金液相线温度；（D）焊料合金的固相温度高于大功率半导体器件的正常工作温度；（E）焊料合金的液相线温度低于大功率半导体器件的最高工作结温。优选的，所述低温柱状导电焊材为低温合金，合金成份根据器件的结温决定，结温为125℃的硅器件，优选为In52Sn48低温共晶焊料。优选的，所述低温柱状导电焊材，其形状可以为圆柱形、椭圆形、正方形等。优选的，所述空气间隙应保证低温柱状导电焊材融化后，焊料最高点距离阴极内引线最低点距离应满足器件工作电压的爬电距离，在应用电压为380V、50HZ的电源条件下，应保证该距离不小于1.1mm。本发明提出一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，有益效果是：1、当器件在负载短路失效或器件本身PN结退化失效过程均不会发生短路失效，当流过器件的电流能量达到预置的柱状低温焊材融化温度时，柱状低温焊材融化，熔化焊料填充衬垫与柱状低温焊材之间的空气间隙，使柱状低温焊材脱离阴极内引线而造成阴极内引线与三端大功率芯片的阴极开路，因此本大功率半导体器件的的失效模式始终为开路，从而有效地避免了现有大功率半导体器件出现的短路失效模式或者出现炸裂等危险情况；2、比起普通的现有大功率半导体器件，具有失效开路特征的大功率半导体器件在提高可靠性的同时不会使电路体积增大，也不会增加电路元件的数量，实用性强，安全性高。附图说明图1为本发明结构示意图；图2为本发明失效开路状态的示意图；图3为本发明预制好的阴极内引线俯视图；图4为本发明预制好的阴极内引线左视图。图中：1、三端大功率芯片，2、阳极外引线，3、阴极外引线，4、控制极外引线，5、阴极内引线，6、绝缘衬垫，7、低温柱状导电焊材，8、空气间隙，9、控制极内引线。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例，请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，包括三端大功率芯片1、阳极外引线2、阴极外引线3和控制极外引线4，以及阴极内引线5、控制极内引线9、绝缘衬垫6，低温柱状导电焊材7，以及绝缘衬垫6及柱状导电焊材7之间的空气间隙8，所述绝缘衬垫6预制于阴极内引线5上；所述阳极外引线2与三端大功率芯片1的阳极相连，其工艺方法可以压接或焊接；所述三端大功率芯片1的阴极与阴极内引线的绝缘衬垫6及低温柱状导电焊材7相连，其工艺方法可以压接或焊接；所述阴极内引线3的引出端与阴极外引线4相连，其工艺方法可以压接或焊接；所述控制极内引线9的一端与三端大功率芯片1的控制极相连，且另一端与控制极外引线4相连，其工艺方法可以压接或焊接。本实施例中，功率半导体芯片采用三端大功率芯片（包括SCR、TRACS、功率MOSFET、IGBT、功率晶体管、GTR、GTO等），同时功率半导体器件也可采用双端大功率器件（包括功率二极管、TVS、TSS以及MOV等）；此时阳极外引线与双端大功率芯片的阳极相连，其工艺方法可以压接或焊接；双端大功率芯片的阴极与阴极内引线5的绝缘衬垫6及低温柱状导电焊材7相连，其工艺方法可以压接或焊接；阴极内引线3的引出端与阴极外引线4相连，其工艺方法可以压接或焊接；本实施例中，所述低温柱状导电焊材7为低熔点，低比热容的焊料合金，在选择具体的焊料合金时，所选焊料合金，需综合以下条件选择（A）大功率半导体器件的最高工作结温；（B）焊料合金的固相线温度；（C）焊料合金液相线温度；焊料合金的固相温度高于大功率半导体器件的正常工作温度；焊料合金的液相线温度低于大功率半导体器件的最高工作结温。具体实施本实施例时，当大功率半导体器件处于正常工作状态时，大功率半导体器件的工作温度低于焊料合金的固相线温度，此时低温柱状导电焊材7的温度处在固相线温度以下，其连接着阴极内引线3与大功率半导体芯片1的阴极，器件阴极外引线3与大功率半导体芯片1的阳极外引线2处于通路状态，大功率半导体器件处于正常工作状态。具体实施本实施例时，当大功率半导体器件处于故障短路或PN结退化失效的工作状态时，大功率半导体器件急聚发热，大功率半导体器件的结温高于焊料合金的液相线温度，此时低温柱状导电焊材7的温度处在焊料合金的液相线温度以上，同时低温柱状导电焊材7由固相转化为液相，低温导电焊材7受到液体张力及本身重力的影响，填充了绝缘衬垫6间的空气间隙8，此时低温导电焊材与其连接着阴极内引线3断开，且保证低温焊料最高点离阴极内引线最低点距离10满足器件工作电压的爬电距离，当器件在380V、50HZ工作电源下，应保证该距离不小于1.1mm。综上所述，比起普通的现有大功率半导体器件，本实施例提供的大功率半导体器件，在故障工作状态能自动转化到开路状态，而不是现有大功率半导体器件常见的短路状态，保护了负载及电源，在提高可靠性的同时不会使电路体积增大，也不会增加电路元件的数量，实用性强，安全性高。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：包括三端大功率芯片（1）、阳极外引线（2）、阴极外引线（3）和控制极外引线（4），以及阴极内引线（5）、控制极内引线（9）、绝缘衬垫（6），低温柱状导电焊材（7），以及绝缘衬垫（6）及柱状导电焊材（7）之间的空气间隙（8），所述绝缘衬垫（6）预制于阴极内引线（5）上，所述阳极外引线（2）与三端大功率芯片（1）的阳极相连，所述三端大功率芯片（1）的阴极与阴极内引线的绝缘衬垫（6）及低温柱状导电焊材（7）相连，所述阴极内引线（3）的引出端与阴极外引线（4）相连，所述控制极内引线（9）的一端与三端大功率芯片（1）的控制极相连，且另一端与控制极外引线（4）相连。2.根据权利要求1所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述绝缘衬垫（6）为氧化铝或氮化铝或其他耐高温绝缘材料。3.根据权利要求2所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述绝缘衬垫（6）的厚度最小值应为1.5mm，且保证低温柱状导电焊材（5）熔化后有足够的爬电距离。4.根据权利要求1所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述低温柱状导电焊材（7），在选择具体的焊料合金时，需综合以下条件选择；（A）大功率半导体器件的最高工作结温；（B）焊料合金的固相线温度；（C）焊料合金液相线温度；（D）焊料合金的固相温度高于大功率半导体器件的正常工作温度；（E）焊料合金的液相线温度低于大功率半导体器件的最高工作结温。5.根据权利要求4所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述低温柱状导电焊材（7）为低温合金，合金成份根据器件的结温决定，结温为125℃的硅器件，优选为In52Sn48低温共晶焊料。6.根据权利要求1所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述低温柱状导电焊材（7），其形状可以为圆柱形、椭圆形、正方形等。7.根据权利要求1所述的一种具有失效开路特征的大功率半导体器件，其特征在于：所述空气间隙（8）应保证低温柱状导电焊材（7）融化后，焊料最高点距离阴极内引线（5）最低点距离应满足器件工作电压的爬电距离，在应用电压为380V、50HZ的电源条件下，应保证该距离不小于1.1mm。

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