具有低栅极驱动电感柔性板连接的功率半导体模块制造技术

本申请涉及具有低栅极驱动电感柔性板连接的功率半导体模块。一种功率半导体模块包括金属化层和附接至金属化层的功率半导体裸片。裸片具有在裸片的远离金属化层的一侧处设置的第一端子和第二端子。功率半导体模块还包括附接至第一端子的第一互连件、附接至第二端子的第二互连件以及包括第一金属层、第二金属化层和绝缘体的柔性板，该绝缘体位于第一金属层和第二金属层之间使得第一金属层和第二金属层相互电绝缘。第一金属层附接至第一互连件，第二金属层附接至第二互连件，使得柔性板通过第一互连件和第二互连件与功率半导体裸片隔开。

【技术实现步骤摘要】
具有低栅极驱动电感柔性板连接的功率半导体模块
本申请涉及功率半导体模块，具体地，涉及具有低栅极驱动电感的功率半导体模块。
技术介绍
在诸如反相器、转换器等的功率电子电路中，诸如MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅型双极晶体管)和JFET(结型场效应晶体管)的功率半导体开关被通过控制电极(诸如用于MOSFET的栅极电极、用于IGBT的栅极电极、用于双极晶体管的基极电流电极等)进行控制。在控制器中生成用于控制功率半导体开关的导通、截止、阻断和传导状态的命令，并且通过用于每个功率开关的栅极驱动器将命令传输至控制端子。栅极驱动器使命令信号与控制器输入电压偏移(例如，经由变压器、光耦合器、电平移位器等)，并且将驱动信号成形用于预期的切换变换(倾斜、上升和下降时间、延迟时间等)。上述功率半导体器件还可以用于管理故障条件(例如，通过检测负载的短路)。负载短路可发生在两个相位之间、所有三个相位之间或者一个或多个相位与地之间。在这种短路条件下，使用功率半导体的输出特性。例如，漏极(集电极)电流(即，功率半导体器件的电源端子之间的电流)以额定电流的大约4倍至10倍饱和，而饱和电平由器件的传输特性和栅极电压的量来确定。功率半导体在高压下可以承受这些高电流条件仅几μs。驱动器或控制器快速感应这种条件并断开功率半导体器件。会发生不同类型的短路条件。在每种情况下，功率电路的特性di/dt和dV/dt响应引起栅极过压条件，这由器件的栅极输入处所见的杂散电感引起。该杂散电感(在本文统称为栅极电路电感)包括与栅极驱动器的板上布线(板布局)、从栅极驱动器到功率模块的控制端子的布线以及功率模块内到达功率晶体管栅极的端子、接线和导体路径相关联的电感。栅极过压的高度部分地取决于栅极电路电感。换句话说，栅极处的电荷可流入驱动器的电压源的速度不仅受到栅极电路的电阻限制而且还受到电感限制。栅极电路电感限制栅极电流可改变的速度。因此，对于典型的栅极电路，栅极过电压可以超过20V，其通常是最大额定电压。此外，在用于并联在一起的更高功率芯片的模块中，公共栅极要求更强大的栅极驱动器。在栅极驱动器内，这通常通过使用具有更大额定电流和更低栅极电阻的晶体管来实现。栅极驱动器的板上布线(板布局)、从栅极驱动器到功率模块的控制端子的布线以及功率模块内到达并联器件的栅极的端子、接线和导体路径保持与单个晶体管中的情况相同。这产生了大约与单个晶体管的情况相同的栅极电路电感。离开公共栅极的电流根据并联器件的数量按比例缩放。栅极电流的di/dt也相应地按比例缩放，这在栅极处引起更高的过压。栅极电路电感是驱动电路中的几何形状与至功率晶体管模块的连接的函数。较低的栅极电路电感提高了短路响应，这帮助快速地将栅极电压限制于通过驱动器设定的值，从而在负载处限制短路电流且随后可控地断开短路(栅极电路中大电感的主要问题是增加短路条件期间的栅极电压)。较低的栅极电路电感还改进了功率晶体管器件的导通和截止响应，提供更快速的器件响应时间。栅极电路电感传统上被忽视有利于电阻阻抗。栅极电路电感已经通过将栅极驱动器板直接组装到功率模块端子上而在它们之间没有布线来解决。栅极驱动器板上以及功率模块或封装内的电感通常没有被解决。
技术实现思路
根据功率半导体模块的一个实施例，该模块包括金属化层和附接至金属化层的功率半导体裸片。功率半导体裸片具有在裸片的远离金属化层的一侧处设置的第一端子和第二端子。功率半导体模块还包括附接至第一端子的第一互连件、附接至第二端子的第二互连件以及柔性板，柔性板包括第一金属层、第二金属化层以及位于第一金属层和第二金属层之间以使第一金属层和第二金属层相互电绝缘的绝缘体。第一金属层附接至第一互连件，第二金属层附接至第二互连件，使得柔性板通过第一互连件和第二互连件与功率半导体裸片隔开。根据功率半导体模块的另一实施例，该模块包括：图案化金属化层，具有相互隔开的多个部分；以及多个功率半导体裸片，至少附接至金属化层中的第一部分，并且每一个功率半导体裸片都具有在裸片的远离图案化金属化层的一侧处设置的第一端子和第二端子。功率半导体模块还包括：第一互连件，附接至功率半导体裸片的第一端子；第二互连件，附接至功率半导体裸片的第二端子；以及柔性板，包括第一金属层、第二金属层以及位于第一金属层与第二金属层之间以使第一金属层和第二金属层相互电绝缘的绝缘体。第一金属层附接至第一互连件且第二金属层附接至第二互连件，使得柔性板通过第一互连件和第二互连件与功率半导体裸片隔开。根据一种制造功率半导体模块的方法的实施例，该方法包括：将功率半导体裸片附接至金属化层，功率半导体裸片具有在裸片的远离金属化层的一侧处设置的第一端子和第二端子；将第一互连件附接至第一端子且将第二互连件附接至第二端子；提供柔性板，柔性板包括第一金属层、第二金属层以及位于第一金属层和第二金属层之间以使第一金属层和第二金属层相互电绝缘的绝缘体；以及将第一金属层附接至第一互连件且将第二金属层附接至第二互连件，使得柔性板通过第一互连件和第二互连件与功率半导体裸片隔开。根据以下详细描述以及查看附图，本领域技术人员将意识到其他特征和优势。附图说明附图中的元件不是必须相互按比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部件。各个所示实施例的特征可以进行组合，除非它们相互排斥。在附图中示出且在以下说明书中详细描述实施例。图1示出了具有低栅极驱动电感柔性板连接的功率半导体模块的实施例的侧视图。图2至图6示出了根据不同实施例的用于功率半导体模块的低栅极驱动电感柔性板连接的截面图。图7和图8示出了制造功率半导体模块的方法的实施例，其中该功率半导体模块具有为容纳在功率半导体模块内的半导体裸片提供外部驱动器连接的柔性板。图9示出了具有柔性板的功率半导体模块的另一实施例的立体图，其中该柔性板为容纳在功率半导体模块内的半导体裸片提供外部驱动器连接。图10和图11示出了制造功率半导体模块的方法的另一实施例，其中该功率半导体模块具有为容纳在功率半导体模块内的半导体裸片提供外部驱动器连接的柔性板。图12示出了根据又一实施例的用于功率半导体模块的低栅极驱动电感柔性板连接的截面图。具体实施方式根据本文描述的实施例，功率半导体模块包括一个或多个功率半导体裸片(芯片)，其组装在诸如DCB(直接铜键合)、AMB(活性金属钎焊)或DAB(直接铝键合)衬底、印刷电路板(PCB)或引线框之类的功率板上。每个功率半导体裸片的上侧互连件(例如，发射极、阳极、阴极、源极、栅极)为键合铝或铜线、铝或铜带或金属夹的形式。诸如烧结、扩散焊接、钎焊、超声键合、激光焊接或电子束焊接(EBW)之类的接合方法可用于将互连件附接(接合)至裸片的上侧端子。在两侧上包括绝缘体和金属化层的柔性板形成用于外部栅极驱动电路(其控制包括在功率半导体模块中的裸片的切换)的平行板波导(有时也称为带线)。柔性板连接至互连件，该互连件被接合至功率半导体裸片的上侧端子。柔性板的一个金属化层连接至控制端子，以及柔性板的至少第二金属化层连接至用于功率半导体的驱动信号的发射极/源极参考端子。柔性板可以从模块突出并与外部栅极驱动电路接触以实现从栅极驱动电路到模块内的功率半导体裸片的平行板波导设计。驱动电路/电子器件还可以集成在柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体模块，包括：金属化层；功率半导体裸片，附接至所述金属化层并具有位于所述裸片的远离所述金属化层的一侧处的第一端子和第二端子；第一互连件，附接至所述第一端子；第二互连件，附接至所述第二端子；以及柔性板，包括第一金属层、第二金属层和绝缘体，所述绝缘体位于所述第一金属层和所述第二金属层之间使得所述第一金属层和所述第二金属层相互电绝缘；其中，所述第一金属层附接至所述第一互连件且所述第二金属层附接至所述第二互连件，使得所述柔性板通过所述第一互连件和所述第二互连件与所述功率半导体裸片隔开。

【技术特征摘要】
2015.01.08 US 14/592,2441.一种功率半导体模块，包括：金属化层；功率半导体裸片，附接至所述金属化层并具有位于所述裸片的远离所述金属化层的一侧处的第一端子和第二端子；第一互连件，附接至所述第一端子；第二互连件，附接至所述第二端子；以及柔性板，包括第一金属层、第二金属层和绝缘体，所述绝缘体位于所述第一金属层和所述第二金属层之间使得所述第一金属层和所述第二金属层相互电绝缘；其中，所述第一金属层附接至所述第一互连件且所述第二金属层附接至所述第二互连件，使得所述柔性板通过所述第一互连件和所述第二互连件与所述功率半导体裸片隔开，其中，所述柔性板的所述第一金属层被配置为承载来自外部驱动器的接地信号，并且所述柔性板的所述第二金属层被配置为承载来自所述外部驱动器的驱动信号；以及其中，所述外部驱动器的一个或多个半导体裸片和/或无源部件附接至所述柔性板的从所述功率半导体模块的壳体突出的部分。2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第一互连件和所述第二互连件是键合线、键合带或金属夹。3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第一金属层被焊接至所述第一互连件，并且所述第二金属层被焊接至所述第二互连件。4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中：所述功率半导体裸片的所述第一端子是发射极或源极端子；以及所述功率半导体裸片的所述第二端子是控制或栅极端子。5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中：所述金属化层具有相互分离的多个部分；以及所述功率半导体裸片在所述裸片的面对所述金属化层的一侧处附接至所述金属化层的所述部分中的第一部分。6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其中：所述第一互连件具有与所述半导体裸片的所述第一端子附接的第一端以及与所述金属化层的所述部分中的第二部分附接的第二端；所述第二互连件具有与所述半导体裸片的所述第二端子附接的第一端以及与所述金属化层的所述部分中的第三部分附接的第二端；所述柔性板的所述第一金属层附接至所述第一互连件的位于所述第一互连件的所述第一端和所述第二端之间的部分；以及所述柔性板的所述第二金属层附接至所述第二互连件的位于所述第二互连件的所述第一端和所述第二端之间的部分。7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中：所述功率半导体裸片的所述第二端子是辅助发射极或源极端子；所述功率半导体模块还包括第三互连件，所述第三互连件的第一端在所述裸片的与所述辅助发射极或源极端子相同的一侧处附接至所述半导体裸片的主源极或发射极端子，并且所述第三互连件的第二端附接至所述金属化层的所述部分中的第四部分；以及所述柔性板的所述第一金属层和所述第二金属层不连接至所述第三互连件。8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中：所述第一互连件具有与所述半导体裸片的所述第一端子的第一部分附接的第一端以及与所述第一端子的第二部分附接的第二端；以及所述柔性板的所述第一金属层附接至所述第一互连件的位于所述第一互连件的所述第一端和所述第二端之间的部分。9.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其中：所述第二互连件具有与所述半导体裸片的所述第二端子的第一部分附接的第一端以及与所述第二端子的第二部分附接的第二端；以及所述柔性板的所述第二金属层附接至所述第二互连件的位于所述第二互连件的所述第一端和所述第二端之间的部分。10.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其中：所述功率半导体裸片的所述第二端子是辅助发射极或源极端子；所述功率半导体模块还包括第三互连件，所述第三互连件的第一端在所述裸片的与所述辅助发射极或源极端子相同的一侧处附接至所述半导体裸片的主源极或发射极端子，并且所述第三互连件的第二端附接至所述金属化层；以及所述柔性板的所述第一金属层和所述第二金属层不连接至所述第三互连件。11.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中：所述第一互连件的第一端附接至所述半导体裸片的所述第一端子且所述第一互连件的第二端设置在所述第一端上且附接至所述第一端；以及所述柔性板的所述第一金属层附接至所述第一互连件的位于所述第一互连件的所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·拜雷尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE