功率半导体模块衬底制造技术

本发明专利技术公开了一种功率半导体模块衬底。包括四个功率电势区域和四个辅助电势区域，在第一、第三功率电势区域上装有多个功率开关，每个功率开关由多个功率半导体芯片组成，多个功率半导体芯片相并联并连到相邻功率电势区域上；第一、第二功率电势区域之间设置有第一辅助电势区域，沿第一方向和第二方向的反向与第二功率电势区域相邻位置设置有第二辅助电势区域，第三功率电势区内设置有第三、第四辅助电势区域，第一、第二辅助电势区域之间彼此电连接。本发明专利技术提供的功率半导体模块的优势在于实现功率模块衬底的紧凑布置，从而提高功率密度，同时实现功率模块各芯片控制回路间杂散参数均匀，从而取得优化的开关特性、提高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
功率半导体模块衬底
本专利技术涉及了一种衬底和功率半导体模块，尤其是具体涉及一种功率半导体模块衬底及由这样功率半导体模块衬底组成的功率半导体模块。
技术介绍
功率半导体模块与外部电路接触的端子元件通常可分为功率端子和控制端子。功率端子和控制端子与模块衬底的接触区域之间通常需要设置足够的间隔距离，以满足不同端子焊接设备和工艺的需要。通过对衬底上功率端子和控制端子以及功率半导体芯片位置的合理布置有利于提高模块衬底的利用率，从而提高模块的功率密度。单个功率半导体芯片的通流能力有限，为扩展功率半导体模块的功率处理能力，大容量的功率半导体模块内部通常采用多芯片并联的布置方式组成桥臂开关。并联布置的芯片的开关通常受一对控制端子控制，其开关电路如图2表示。其中Cge1，Cge2分别代表并联的两块功率半导体芯片的栅极电容，功率半导体芯片的通流能力与栅极电容上的电压正相关。Tg和Te分别为功率半导体模块与外部驱动电路连接的端口，用于接收驱动信号。Rg0和Lg0分别为每块芯片的驱动回路公共部分的杂散电阻和杂散电感。Rg1、Lg1和Rg2、Lg2分别为两块功率半导体芯片因位置分布所导致的单独的杂散电阻和杂散电感。功率半导体模块开通过程中，加在Tg和Te上的驱动电压由特定的负值变成正值，由于驱动回路杂散参数的作用，栅极电容两端的电压上升，从而使通过功率半导体芯片的功率电流上升；关断过程中，加在Tg和Te上的驱动电压由特定的正值变为负值，栅极电容两端的电压下降，从而使通过功率半导体芯片的功率电流下降。若回路中杂散电感的感值较大，则容易在开关过程中引起杂散电感与芯片本身电容之间产生电压振荡，若在开通过程中栅极电容两端的振荡电压低于使芯片开通的阈值电压，则会引起芯片的误关断；若在关断过程中栅极电容两端的振荡电压高于使芯片开通的阈值电压，则会引起芯片的误开通。以上两种现象均不利于芯片的正常工作。由于栅极电容由芯片本身的特性决定，因此在功率模块设计的过程中需尽量减小驱动回路的杂散电感，从而在高开关速度下降低误开通和误关断风险。若并联芯片单独的杂散参数不一致，则会导致栅极电容充电或放电速度不一致，从而引起开关过程中通过芯片的功率电流的不均。由于开关过程中半导体芯片两端的电压的建立通常是在电流变化之前，不均匀的瞬态电流会导致功率半导体芯片上产生的损耗不一致，最终反映在芯片间温度的不一致上。在功率半导体模块满功率工作的情况下，因芯片电流分布不均引发的过温和过流可能会引起半导体元件的失效，影响模块的正常运行。从以上叙述可看出，合理设计端子与衬底接触区域和芯片的布局，减小功率半导体芯片驱动回路杂散电感以及均衡并联芯片间的杂散参数是进行模块衬底设计的三个重要考虑。
技术实现思路
考虑上述技术要点，本专利技术提供了一种功率半导体模块衬底及其功率半导体模块，通过优化端子区域、芯片以及其控制回路的布局，提高了衬底利用率，减小了驱动回路的总杂散电感，降低了芯片误开关风险，提高了功率模块可靠性。本专利技术采用的技术方案是：一、本专利技术保护一种功率半导体模块衬底：包括四个功率电势区域和辅助电势区域，四个功率电势区域为沿第二方向依次间隔布置的第二功率电势区域、第一功率电势区域、第三功率电势区域和第四功率电势区域；在第一功率电势区域和第三功率电势区域上均安装有多个功率开关；在第三功率电势区域内部设置镂空区域，镂空区域中设置有相隔离绝缘的第三、第四辅助电势区域。布置在第三功率电势区域上的多个功率开关包括第一功率开关和第二功率开关的两类，每个功率开关均由多个功率半导体芯片组成，第一功率开关由开关可控的晶体管芯片组成，第二功率开关由具有单向导通特性的二极管芯片组成；对于布置在第三功率电势区域的每个第一功率开关，其控制电极通过各自的第一辅助连接装置与第三辅助电势区域电连接，并用第三辅助连接装置将第三功率电势区域上中间的一个第二功率开关与第四辅助电势区域电连接。布置在第一功率电势区域上的多个功率开关包括第一功率开关和第二功率开关的两类，每个功率开关均由多个功率半导体芯片组成，第一功率开关由开关可控的晶体管芯片组成，第二功率开关由具有单向导通特性的二极管芯片组成；第一功率电势区域和第二功率电势区域之间设置有第一辅助电势区域，靠近第二功率电势区域沿第一方向反向且第二方向反向的边角位置设置有第二辅助电势区域；对于布置在第一功率电势区域的每个第一功率开关，其控制电极通过各自的第一辅助连接装置与第一辅助电势区域电连接，并用第二辅助连接装置将第一辅助电势区域与第二辅助电势区域电连接。第一功率电势区域和第二功率电势区域之间仅设置有第一辅助电势区域的一个电势区域，并未布置有无源元件和其他电势区域；并且，第一辅助电势区域仅与第一功率电势区域上每个第一功率开关的控制电极通过第一辅助连接装置电连接以及与第二辅助电势区域通过第二辅助连接装置电连接。每个功率开关中的多个功率半导体芯片相互并联并且通过功率连接装置连接到与自身所在功率电势区域相邻的功率电势区域上。本专利技术通过第一辅助电势区域及其相关的布置结构实现降低了上桥臂的衬底回路中的杂散电感，也降低了各芯片间杂散电感的不均并通过实验验证。本专利技术通过第三、第四辅助电势区域及其相关的布置结构共同实现降低了下桥臂的衬底回路中的杂散电感，大大降低了总杂散电感并通过实验验证。第一功率电势区域和第三功率电势区域上的多个功率开关沿第一方向间隔布置，并且第一功率开关和第二功率开关沿第一方向交替布置，每个功率开关的安装布置方向和第二方向一致。所述第一辅助电势区沿平行第一方向布置，且使得第一辅助电势区与第一功率电势区域绝缘的情况下与第一功率电势区域上的第一功率开关尽量靠近。所述第二辅助连接装置具有两个连接处，第一连接处位于第一辅助电势区上，第二连接处位于第二辅助电势区上。所述第一连接处位于第一辅助电势区沿第一方向反向的端部区域上，且第一辅助电势区沿第一方向反向的端部区域的边沿与第一辅助电势区上沿最靠近第一方向反向的功率半导体芯片的沿第一方向反向所在侧边对齐。所述第四辅助电势区沿第一方向与第三功率电势区域上位于中间的第二功率开关相邻，且使得第四辅助电势区与第三功率电势区域绝缘的情况下与第三功率电势区域上的第二功率开关尽量靠近。所述第三辅助连接装置具有两个连接处，第一连接处位于第四辅助电势区上，第二连接处位于第三功率电势区域上中间的第二功率开关上；所述第二功率半导体芯片为位于两个第一功率开关中间位置的半导体芯片。所述第三辅助电势区在第二方向反向与第四辅助电势区相邻，且使得第三辅助电势区与第四辅助电势区绝缘的情况下尽量靠近。所述第二辅助电势区上设置有第一控制端子，所述第二功率电势区域上设置有第二控制端子，第一控制端子和第二控制端子用于控制第一功率电势区域上第一功率开关中的功率半导体芯片的开关，且在保证绝缘的情况下尽量靠近。所述第三辅助电势区上设置有第三控制端子，所述第四辅助电势区域上设置有第四控制端子，第三控制端子和第四控制端子用于控制第三功率电势区域上第一功率开关中的功率半导体芯片的开关，且在保证绝缘的情况下尽量靠近。第二、第三辅助连接装置为金属材质连接线、电阻或电感等具有连接功能的元件。二、本专利技术还保护一种包含上述的功率半导体模块衬底的功率半导体模块。本专利技术采用有益效果是：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体模块衬底，其特征在于：包括四个功率电势区域(10,11,12,13)和辅助电势区域，四个功率电势区域(10,11,12,13)为沿第二方向(52)依次间隔布置的第二功率电势区域(11)、第一功率电势区域(10)、第三功率电势区域(12)和第四功率电势区域(13)；在第一功率电势区域(10)和第三功率电势区域(12)上均安装有多个功率开关(20,21)；在第三功率电势区域(12)内部设置镂空区域，镂空区域中设置有相隔离绝缘的第三、第四辅助电势区域(63,64)。

【技术特征摘要】
1.一种功率半导体模块衬底，其特征在于：包括四个功率电势区域(10,11,12,13)和辅助电势区域，四个功率电势区域(10,11,12,13)为沿第二方向(52)依次间隔布置的第二功率电势区域(11)、第一功率电势区域(10)、第三功率电势区域(12)和第四功率电势区域(13)；在第一功率电势区域(10)和第三功率电势区域(12)上均安装有多个功率开关(20,21)；在第三功率电势区域(12)内部设置镂空区域，镂空区域中设置有相隔离绝缘的第三、第四辅助电势区域(63,64)。2.根据权利要求1所述的一种功率半导体模块衬底，其特征在于：布置在第三功率电势区域(12)上的多个功率开关(20,21)包括第一功率开关(20)和第二功率开关(21)的两类，每个功率开关(20,21)均由多个功率半导体芯片组成，第一功率开关(20)由开关可控的晶体管芯片组成，第二功率开关(21)由具有单向导通特性的二极管芯片组成；对于布置在第三功率电势区域(12)的每个第一功率开关(20)，其控制电极(803,804)通过各自的第一辅助连接装置(703,704)与第三辅助电势区域(63)电连接，并用第三辅助连接装置(72)将第三功率电势区域(12)上中间的一个第二功率开关(21)与第四辅助电势区域(64)电连接。3.根据权利要求1所述的一种功率半导体模块衬底，其特征在于：布置在第一功率电势区域(10)上的多个功率开关(20,21)包括第一功率开关(20)和第二功率开关(21)的两类，每个功率开关(20,21)均由多个功率半导体芯片组成，第一功率开关(20)由开关可控的晶体管芯片组成，第二功率开关(21)由具有单向导通特性的二极管芯片组成；第一功率电势区域(10)和第二功率电势区域(11)之间设置有第一辅助电势区域(61)，靠近第二功率电势区域(11)沿第一方向(51)反向且第二方向(52)反向的边角位置设置有第二辅助电势区域(62)；对于布置在第一功率电势区域(10)的每个第一功率开关(20)，其控制电极(801,80...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贺雅，罗浩泽，梅烨，
申请(专利权)人：臻驱科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31