专利名称：基于铝散热片的绝缘to220ab功率器件及生产方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及半导体元器件领域，特别是在绝缘T0220AB功率器件，具体是指基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件及生产方法。
背景技术：
半导体功率器件在我们的实际生活中应用非常广泛，目前T0220大功率器件主要分为T0220AB和T0220F两种封装形式。T0220AB封装形式特点是能够良好散热但不有效绝缘，整机用户在使用时需要加绝缘片才能够锁在散热片上；T0220F封装特点是能够绝缘但不能充分散热，这2种封装对器件的使用领域和可靠性做了一些限制
发明内容
本发明的目的在于提供基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件及生产方法，具备绝缘和快速的导热性能，优化结构形成可以替代背景技术中所述的T0220AB和T0220F两种封装形式的功率器件。本发明的实现方案如下基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，包括独立而设的功率器件，所述功率器件包括载片，载片上表面通过焊锡层焊接有芯片，芯片通过焊线连接有引脚，所述载片的下方设置有散热片，所述载片和散热片之间存在间隙，且该间隙内填充有塑封料填充层，其载片和散热片之间的间隙距离为0. 3mm-0. 8mm之间。还包括塑封体，所述功率器件塑封在塑封体内部，其中引脚刺穿塑封体并延伸进塑封体内部。载片下表面与塑封料填充层连接。载片下表面与塑封体靠近散热片的一面齐平。所述塑封料填充层靠近散热片的一面与塑封体靠近散热片的一面齐平。所述焊线为纯铝丝或硅铝丝；载片和引脚采用铜材载片和铜材引脚；散热片为铝材散热片；塑封料填充层为环氧树脂材料填充层。上述基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件的生产方法，包括以下步骤
步骤1，组装功率器件将上述芯片焊接在载片上，将上述引脚通过焊线与芯片焊接在一起;
步骤2，塑封铸模包括模具组装步骤和压模步骤，
模具组装步骤为
取模具上模具和下模具，将上述散热片放置在下模具上，将上述组装好的功率器件放置在散热片上方；
压模步骤为
取塑封材料加热至半熔融状态，并注入到上述模具内，使用上模具冲压下模具，使得半熔融状态塑封材料作为塑封体塑封好上述功率器件后塑封体与散热片连接，塑封体连接散热片的部位为塑封料填充层，最后冷却成形。
上述基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件的生产方法，包括以下步骤
步骤A，组装功率器件将上述芯片焊接在载片上，将上述引脚通过焊线与芯片焊接在一起;
步骤B，塑封铸模包括模具组装步骤和压模步骤，
模具组装步骤为
取模具上模具和下模具，将上述散热片放置在下模具上，将上述组装好的功率器件放置在散热片上方； 所述压模步骤为
先取上述0. 3mm-0. 8mm厚的塑封料填充层放置在散热片的上表面，使用上模具冲压下模具，使得塑封料填充层塑封在散热片的上表面上，
再取塑封材料加热至半熔融状态，并注入到上述模具内，使用上模具冲压下模具，使得半熔融状态塑封材料作为塑封体塑封好上述功率器件后塑封体与塑封料填充层连接，最后冷却成形。所述塑封料填充层为环氧树脂材料。所述塑封体为环氧树脂材料。基于上述结构、以及两种生产方法的描述；由于背景技术中描述的T0220AB和T0220F两种封装形式，一种不具备良好的散热作用，一个不具备绝缘作用，本发明针对上两种结构的缺陷，而研发出本发明，本发明具备良好的散热性能和绝缘功能。而绝缘功能的实现是通过注塑方法，将具备极好的绝缘效果且具备良好的散热导热性能的环氧树脂材料填充层，即先塑封料填充层塑封到散热片上，然后再通过塑封的方式将功率器件塑封起来，将独立的功率器件和独立的散热片紧密的结合以此实现绝缘的效果，或者直接采用具备极好的绝缘效果且具备良好的散热导热性能的环氧树脂材料注塑封装功率器件同时与散热片紧密的结合，但在塑封的时候需要使得载片和散热片之间的保持间隙，并在该间隙内填充环氧树脂材料填充层，环氧树脂材料填充层与塑封体为一体式结构。而良好散热功能的实现是本发明特针对上述结构做了实验对比，经过研究发现，上述散热片与载片和散热片之间的间隙距离为0. 3mm-0. 8mm之间时为最佳散热效果。为了具备很好的说服力，本发明特将上述实验对比数据公开，具体参见图2，如附图
所示，本实验以功率为50W的芯片在工作时采集实验数据，其中载片和散热片之间的间隙距离设置在0. Imm-Imm之间，即塑封料填充层的厚度为在0. Imm-Imm之间，以0. Imm为间隔参数，即以0. Imm的增长级数设置10个本发明设计。结果经过测量后发现，当塑封料填充层的厚度为0. lmm-0. 2mm之间时，绝缘性能差，因此不具备绝缘性，故不采用塑封料填充层的厚度为0. lmm-0. 2mm的技术方案；而当塑封料填充层的厚度为0.之间时,载片和散热片的工作温度均有明显上升，且散热片的温度超过了 90°C，而经过测算，在外界条件相同的情况下，背景技术中描述的T0220AB和T0220F这两种功率器件的最低温度也才90°C，如此看来采用塑封料填充层的厚度为0. 之间或更厚时散热性能会越来越差，因此如上参数，我们可以看出，并不是塑封料填充层的厚度越厚越好，也不是塑封料填充层的厚度越薄越好，经过上述参数分析以及图I所示，我们采用塑封料填充层的厚度为在0. 3mm-0. 8mm之间为最佳使用技术方案，可是实现绝缘效果的同时也能满足散热的需求。
而上述两种生产本发明的方法，具体来说，相同的一步为都要进行对功率器件的组装，即组装功率器件步骤，
他们的不同之处是一种方法采用整体塑封的方式，同时保证塑封体与散热片连接，同时要保证塑封体对功率器件塑封时，塑封料填充层的厚度为在0. 3mm-0. 8mm之间，即散热片与载片之间的塑封体部位为塑封料填充层；另一种方法采用独立的塑封料填充层，先将塑封料填充层塑封在散热片上，然后通过塑封的方法将功率器件塑封在塑封体内，同时要保证塑封体与塑封料填充层连接。对于上述两种方法，最终得出的一个必要过程为需满足塑封料填充层的厚度为在0. 3mm-0. 8mm之间，即载片和散热片之间的间隙距离为0. 3mm-0. 8mm之间。本发明是在充分结合、优化目前T0220AB和T0220F两种封装形式优点的同时规避其缺点，发明了一种基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器，在充分散热的同时能够起到有效绝缘的作用，整机用户在使用时不需要加绝缘片但又能够充分散热，提高器件质量和可靠性，同时降低器件成本。 散热片与载片是分开独立的，散热片采用铝材在散热的同时成本约1/3，散热片与载片是在塑封过程中结合在一起的，但散热片与载片中间有一定的间隙未直接接触，中间间隙部分在塑封时由塑封料填充层填充，从而起到了载片与散热片之间良好绝缘的作用。所述散热片与常规功率器件一样均设有安装螺丝孔，所述载片是指二极管或三极芯片的焊接区域。所述功率器件背面设计有台阶，在塑封过程中能更好的将散热片和载片牢固的结合在一起，在散热片侧壁均设计有半圆孔，在塑封时通过塑封模具上的顶针将载片顶起，使散热片与载片中间有一定的间隙，在用塑封料通过塑封模具将两部分结合起来，中间的塑封料(即塑封料填充层)使散热片和载片隔离开，从而保证了良好的绝缘作用。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。散热计算任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由芯片传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。热量在传递过程有一定热阻。由器件的芯片传到器件底部的热阻为R0 JC，器件底部与散热器之间的热阻为R0 CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为R0SA，总的热阻R 9 JA=R 0 JC+R 0 CS+R 0 SA。若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻R 9 JA0 R 0 JA彡(TJ-TA)/PD则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻:R e SA为R 0 SA彡({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R0 JC+R0CS)出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125°C。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40°C 60°C。R 9 JC的大小与芯片的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。CS的大小与安装技术及器件的封装有关。R如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R 9 CS典型值为0. I 0. 2°C/W ;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R0CS可达ItVWt5H)为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，R 0 SA可以计算出来，根据计算的R 0 SA值可选合适的散热器了。导热系数的大小表明金属导热能力的大小，导热系数越大，导热热阻值相应降低，导热能力增强。在金属材料中，银的导热系数最高(见表)，但成本高；纯铜其次，但加工不容易。在风冷散热器中一般用6063T5铝合金，这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉。但随着散热需求的提高，综合运用各种导热系数高的材料，已是大势所趋。有部导热系数分散热片采用了纯铜或铜铝结合的方式来制造。例如，有的散热片底部采用纯铜，是为了发挥铜的导热系数大，传热量相对大的优点，而鳍片部分仍采用铝合金片，导热系数是为了加工容易，将换热面积尽可能做大，以便对流换热量增大。但是此种方法最大的难点在于如何将铜与铝型鳍片充分地连接，如果连接不好，接触热阻会大量产生，反而影响散热效果。
下列为各种常用金属材料及铝合金导热系数
权利要求
1.基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，包括独立而设的功率器件，所述功率器件包括载片(3)，载片(3)上表面通过焊锡层(6)焊接有芯片(7)，芯片通过焊线(5)连接有引脚(2)，其特征是所述载片(3)的下方设置有散热片(8)，所述载片和散热片(8)之间存在间隙，且该间隙内填充有塑封料填充层(4)，其载片和散热片(8)之间的间隙距离为0.3mm-0. 8mm 之间。
2.根据权利要求I所述的基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，其特征是还包括塑封体(1)，所述功率器件塑封在塑封体(I)内部，其中引脚(2)刺穿塑封体(I)并延伸进塑封体(I)内部。
3.根据权利要求2所述的基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，其特征是载片(3)下表面与塑封料填充层(4)连接。
4.根据权利要求2所述的基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，其特征是载片(3)下表面与塑封体(I)靠近散热片(8)的一面齐平。
5.根据权利要求2所述的基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，其特征是所述塑封料填充层(4 )靠近散热片(8 )的一面与塑封体(I)靠近散热片(8 )的一面齐平。
6.根据权利要求2所述的基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件，其特征是所述焊线为纯铝丝或硅铝丝；载片和引脚采用铜材载片和铜材引脚；散热片为铝材散热片；塑封料填充层(4)为环氧树脂材料填充层。
7.上述基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件的生产方法，其特征是包括以下步骤 步骤1，组装功率器件将上述芯片焊接在载片(3)上，将上述引脚(2)通过焊线与芯片焊接在一起； 步骤2，塑封铸模包括模具组装步骤和压模步骤， 模具组装步骤为 取模具上模具和下模具，将上述散热片(8)放置在下模具上，将上述组装好的功率器件放置在散热片(8)上方； 压模步骤为 取塑封材料加热至半熔融状态，并注入到上述模具内，使用上模具冲压下模具，使得半熔融状态塑封材料作为塑封体塑封好上述功率器件后塑封体与散热片(8)连接，塑封体连接散热片(8 )的部位为塑封料填充层(4 )，最后冷却成形。
8.上述基于铝散热片的绝缘T0220AB功率器件的生产方法，其特征是包括以下步骤 步骤A，组装功率器件将上述芯片焊接在载片(3)上，将上述引脚(2)通过焊线与芯片焊接在一起； 步骤B，塑封铸模包括模具组装步骤和压模步骤， 模具组装步骤为 取模具上模具和下模具，将上述散热片(8)放置在下模具上，将上述组装好的功率器件放置在散热片(8)上方； 所述压模步骤为 先取上述塑0. 3mm-0. 8mm厚的封料填充层放置在散热片(8)的上表面，使用上模具冲压下模具，使得塑封料填充层塑封在散热片(8 )的上表面上， 再取塑封材料加热至半熔融状态，并注入到上述模具内，使用上模具冲压下模具，使得半熔融状态塑封材料作为塑封体塑封好上述功率器件后塑封体与塑封料填充层连接，最后冷却成形。
9.根据权利要求7或8所述的生产方法，其特征是所述塑封料填充层为环氧树脂材料。
10.根据权利要求7或8所述的生产方法，其特征是所述塑封体为环氧树脂材料。
全文摘要
本发明公开了基于铝散热片的绝缘TO220AB功率器件及生产方法，基于铝散热片的绝缘TO220AB功率器件，包括独立而设的功率器件，所述功率器件包括载片，载片上表面通过焊锡层焊接有芯片，芯片通过焊线连接有引脚，所述载片的下方设置有散热片，所述载片和散热片之间存在间隙，且该间隙内填充有塑封料填充层，其载片和散热片之间的间隙距离为0.3mm-0.8mm之间。本发明的优点在于具备绝缘和快速的导热性能，优化结构形成可以替代背景技术中所述的TO220AB和TO220F两种封装形式的功率器件。
文档编号H01L23/31GK102723314SQ20121018847
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者李科, 蔡少峰 申请人:四川立泰电子有限公司