一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，包括顶部功率基板、底部功率基板、若干功率垫片、功率端子以及电子电子功率半导体芯片；若干功率垫片设置于顶部导电金属基板和底部导电金属基板之间；功率端子包括一个与顶部导电金属基板相连的交流功率端子，以及两个与底部导电金属基板相连的直流功率端子正极和直流功率端子负极；相邻的芯片不在同一个水平面上，交错排布的方式能够极大的减小所有芯片之间的热耦合程度，使得所有芯片于其他芯片的热耦合程度较为平均，以便达到所有芯片均温的效果；本发明专利技术得益于模块的均温、均流和低热阻的优点，芯片可以轻松地紧密排布，从而缩小了功率模块的体积，减少了散热冷却系统的成本。

A packaging structure of wide band gap power module for harsh environment

【技术实现步骤摘要】
一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构
本专利技术属于半导体封装
，涉及一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构。
技术介绍
功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块，其性能比由分离的电力电子功率器件组成的电力电子变流器在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面优越很多。近年来随着电力电子器件的不断发展，诸如石油钻探、电动汽车、航空航天等重要领域的应用环境的要求不断提高、节约能源口号的提出等影响，功率模块正在向小型化、高功率密度、高可靠性、低损耗的方向发展。特别是新一代宽禁带功率半导体(碳化硅、氮化镓等)器件正在各个工业领域中逐渐取代传统的硅器件，并带来了许多优点：1、由于本征载流子的大幅度减小，器件的漏电流也大幅度减小，因而更加适合于高温条件运行；2、更高的绝缘击穿场强使得器件可以在更高的电压等级下工作运行；3、无需采用具有电导调制效应的少数载流子器件(即双极性器件)来减少因耐高压化而造成的高导通电阻现象，而是可以采用适合于高频工作的多数载流子结构(比如金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和肖特基势垒二极管等)，并且具有更低的开关损耗；4、在同电压、电流等级下具有更小的芯片面积。以上的诸多优势，可以使得使用宽禁带功率半导体的功率模块能够在更高的环境温度下工作，这就意味功率模块能够更加容易地在石油钻探、电动汽车等恶劣环境下，或传统功率模块无法工作的环境下可靠地工作，并且能够减少散热系统成本，甚至改变功率模块的散热方式，由主动散热(强迫风冷、液冷)转换为被动散热(自然散热)；更小的开关损耗能够在更高频下工作，减小无源部件特别是滤波部分的体积。但是现有的封装结构却远远无法发挥宽禁带功率半导体的优势，主要表现在以下几个方面：1、传统的功率模块是适用于大面积的硅基半导体功率芯片，这些器件通常并联的个数不多，并且要反并联一个功率二极管，而宽禁带功率半导体开关芯片面积很小，必须要多个并联以达到更大的电流等级，并且可以选择反并联或者不反并联功率二极管芯片；2、传统功率模块在电气连接上大多是以键合线作为互连方式，其特点是单面传送热量，这种散热方式称为单面散热，散热效率低，电力电子芯片到周围环境的热阻较大，非常不利于功率模块在恶劣环境下使用；个别商用功率模块已经采用了双面散热的结构，但是这些功率模块都是少量芯片的封装集成，无法满足大功率、大电流的应用情况；3、传统功率模块无法同时做到并联功率半导体芯片的均温与均流，这在高工作频率、恶劣环境下是至关重要的。芯片的不均温可以导致不同芯片的粘接层的失效速率不同，加速功率模块的整体失效，并且通过影响芯片的阈值电压而加剧并联芯片的动态不均流现象；芯片的不均流主要是因为芯片并联支路的寄生电感分布不均，寄生电感的分布不均会造成功率芯片在开关瞬态受到不均等的电流电压应力，极有可能发生击穿功率芯片的失效现象。综上所述，宽禁带功率半导体的优良特性的发挥十分受限于传统的功率模块的封装结构，因此需要一种新型的封装结构来克服传统功率模块的缺点，从而充分发挥宽禁带器件的优良特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，该封装形式适合基于硅材料制作而成的电力电子器件，但特别适合宽禁带功率器件的封装。另外，本专利技术尤其适用于大电流的多芯片并联均流、多芯片均温、高环境温度、高工作频率、低损耗的应用工况。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，包括：顶部功率基板，所述顶部功率基板的下表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的顶部导电金属基板；底部功率基板，所述底部功率基板的上表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的底部导电金属基板；顶部功率基板和底部功率基板的位置相对设置；若干功率垫片，所述若干功率垫片设置于顶部导电金属基板和底部导电金属基板之间，用于起电气连接、传递热量以及机械支撑作用；功率端子，所述功率端子包括一个与顶部导电金属基板相连的交流功率端子，以及两个与底部导电金属基板相连的直流功率端子正极和直流功率端子负极；电子电子功率半导体芯片，所述电子电子功率半导体芯片包括若干设置在功率端子与顶部导电金属基板之间的顶部半导体芯片和若干设置在功率端子与底部导电金属基板之间的底部半导体芯片，所述半导体芯片在竖直方向上交错布置，相邻的两个功率端子，其中一个与顶部导电金属基板之间设置顶部半导体芯片，另一个与底部导电金属基板之间设置底部半导体芯片，或者其中一个与底部导电金属基板之间设置顶部半导体芯片，另一个与顶部导电金属基板之间设置底部半导体芯片。本专利技术进一步的改进在于：所述电子电子功率半导体芯片包括两组四个并联共8个芯片，构成半桥结构的上下管。所述半导体芯片采用宽禁带功率半导体器件。所述功率垫片由单质铜、单质铝、铜-钼-铜复合平板材料、钨铜合金材料或锌铜合金材料制成。所述顶部功率基板包括相贴合的第一绝缘介质基板和第一导电金属基板，底部功率基板包括相贴合的第二绝缘介质基板和第二导电金属基板。所述第一绝缘介质基板和第二绝缘介质基板由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成；顶部导电金属基板、底部导电金属基板、第一导电金属基板和第二导电金属基板为铜制基板或铝制基板。所述顶部导电金属基板包括三组并列设置的金属板，其中，两侧的金属板由一块门字型板和一块T型板组成，T型板设置于门字型板内部；中部的金属板上开设有两道平行的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽长度小于中部金属板的宽度；交流功率端子与中部金属板相连。所述底部导电金属板包括两组对称设置的金属板，每组金属板均包括一个位于内侧的门字型板，和一个位于外侧的L型板；门字型板内设置有T型版；直流功率端子正极和直流功率端子负极分别与两个位于内侧的门字型板相连。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所有芯片具有这样的特点：相邻的芯片不存在于同一个水平面上。这种交错排布的方式能够极大地减小所有芯片之间的热耦合程度和使得所有芯片于其他芯片的热耦合程度较为平均，以便达到所有芯片均温的效果；本专利技术通过芯片的交错排布方式和特定的电路布局，可以使得在流过每个芯片的电流回路中，每条相邻并联支路的电流流向相反，这样相邻的芯片之间会产生很大的抵消寄生电感的作用，从而极大地减小了换流回路的寄生电感以及平衡了每条并联支路的换流寄生电感，这使得的功率模块在工作时具有较小的电压过冲和动态、静态均流效果；本专利技术所有芯片均排布在功率模块的一侧，加上交错分布特点，使得可以直接采用栅极回路(控制回路)的栅极引线和源极引线或者是门极回路(控制回路)的门极引线和发射极引线采用开尔文连接，从而消除共源极电感/共射极电感，达到可靠驱动、多芯片均流的效果；本专利技术功率模块的功率端子与控制端子分开引出，这样可以消除功率回路电压、电流变化对控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，其特征在于，包括：/n顶部功率基板，所述顶部功率基板的下表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的顶部导电金属基板(117)；/n底部功率基板，所述底部功率基板的上表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的底部导电金属基板(120)；顶部功率基板和底部功率基板的位置相对设置；/n若干功率垫片，所述若干功率垫片设置于顶部导电金属基板(117)和底部导电金属基板(120)之间，用于起电气连接、传递热量以及机械支撑作用；/n功率端子，所述功率端子包括一个与顶部导电金属基板(117)相连的交流功率端子(133)，以及两个与底部导电金属基板(120)相连的直流功率端子正极(131)和直流功率端子负极(132)；/n电子电子功率半导体芯片，所述电子电子功率半导体芯片包括若干设置在功率端子与顶部导电金属基板(117)之间的顶部半导体芯片和若干设置在功率端子与底部导电金属基板(120)之间的底部半导体芯片，所述半导体芯片在竖直方向上交错布置，相邻的两个功率端子，其中一个与顶部导电金属基板(117)之间设置顶部半导体芯片，另一个与底部导电金属基板(120)之间设置底部半导体芯片，或者其中一个与底部导电金属基板(120)之间设置顶部半导体芯片，另一个与顶部导电金属基板(117)之间设置底部半导体芯片。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，其特征在于，包括：
顶部功率基板，所述顶部功率基板的下表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的顶部导电金属基板(117)；
底部功率基板，所述底部功率基板的上表面设置若干用于安装电力电子功率半导体芯片的底部导电金属基板(120)；顶部功率基板和底部功率基板的位置相对设置；
若干功率垫片，所述若干功率垫片设置于顶部导电金属基板(117)和底部导电金属基板(120)之间，用于起电气连接、传递热量以及机械支撑作用；
功率端子，所述功率端子包括一个与顶部导电金属基板(117)相连的交流功率端子(133)，以及两个与底部导电金属基板(120)相连的直流功率端子正极(131)和直流功率端子负极(132)；
电子电子功率半导体芯片，所述电子电子功率半导体芯片包括若干设置在功率端子与顶部导电金属基板(117)之间的顶部半导体芯片和若干设置在功率端子与底部导电金属基板(120)之间的底部半导体芯片，所述半导体芯片在竖直方向上交错布置，相邻的两个功率端子，其中一个与顶部导电金属基板(117)之间设置顶部半导体芯片，另一个与底部导电金属基板(120)之间设置底部半导体芯片，或者其中一个与底部导电金属基板(120)之间设置顶部半导体芯片，另一个与顶部导电金属基板(117)之间设置底部半导体芯片。


2.根据权利要求1所述的适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，其特征在于，所述电子电子功率半导体芯片包括两组四个并联共8个芯片，构成半桥结构的上下管。


3.根据权利要求1所述的适用于恶劣环境的宽禁带功率模块的封装结构，其特征在于，所述半导体芯片采用宽禁带功率半导体器件。

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，杨奉涛，张彤宇，赵成，王见鹏，齐志远，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61