半导体模块制造技术

一种提供半桥的功率模块(1)，该功率模块包括：至少一个衬底(2)，该至少一个衬底包括内部负载轨道(3)、两个中间负载轨道(4)和两个外部负载轨道(5)，每个负载轨道是长形的并且在第一方向(6)上基本上横跨该至少一个衬底(2)延伸；其中，两个中间负载轨道(4)被布置为与内部负载轨道(3)相邻，并且每个外部负载轨道(5)相对于基本上与第一方向(6)正交的第二方向(7)布置在两个中间负载轨道(4)中一个的相反侧上。侧上。侧上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体模块
[0001]半导体功率模块在工业中应用广泛。例如，这种功率模块可以用于大电流的受控开关，并且可以用于功率转换器(比如逆变器)以将DC转换为AC或反之亦然，或者用于在不同电压或频率的AC之间转换。这种逆变器在电机控制器、或发电或储电之间的接口、或配电网中使用。
[0002]半导体功率模块旨在满足两个主要特性：高功率转换效率和高功率密度。还考虑了使用寿命、成本和质量等因素。为了实现高功率密度，可以使用高性能宽带隙半导体、比如碳化硅(SiC)半导体开关，因为它们通常优于标准硅基半导体开关、即绝缘栅双极晶体管(IGBT)。SiC设备从热和电气的角度对功率模块的设计提出了很高的要求。宽带隙半导体(例如，SiC半导体开关)具有开关速度非常快的特性，这意味着从导通模式到阻断模式的转变只需几纳秒。
[0003]电子电路中的快速开关与杂散电感相结合，在使用这种半导体功率模块时会导致电压过冲。这些电压过冲会增加开关损耗，并且可能通过振铃引起EMI辐射。由于开关期间的电流梯度很高，整个组件的杂散/寄生电感需要尽可能小。
[0004]SiC MOSFET在其中应用需要在小建筑体积中实现最高效率的这种应用中用作半导体开关。SiC MOSFET同时示出快速开关速度和低导通电阻。由于SiC晶片的制造成本高昂，并且使用当前的制造工艺难以制造出晶体故障量低得可接受的部件，因此管芯通常非常小(例如，5
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25mm2)。这使产量损失保持在低水平，但限制了SiC半导体开关可以通过的总电流。为了实现高输出功率，需要并行操作这些小型半导体开关(例如MOSFET)中的若干个。在比如汽车功率转换等应用中，并行使用多个半导体开关会占用半导体功率模块内的空间，从而产生可能较大的模块。然而，车辆内的空间非常宝贵，并且通常不会选择增加模块的尺寸。因此，如果布局的创新设计能够适应多个并行的半导体开关、平衡(对称)的操作、低杂散电感和小总体布局尺寸，则这是很大的优势。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的目的是提供一种功率模块，该功率模块能够展现出多个并行的半导体开关的同时开关和平衡的操作、比当前可用的功率模块更低的杂散电感以及更稳定和有效的操作。
[0006]根据本专利技术的第一方面，通过提供一种提供半桥的功率模块来实现上述和其他目的，该功率模块包括至少一个衬底，该至少一个衬底包括内部负载轨道、两个中间负载轨道和两个外部负载轨道，每个负载轨道是长形的并且在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。两个中间负载轨道被布置为与内部负载轨道相邻，并且每个外部负载轨道相对于基本上与第一方向正交的第二方向布置在两个中间负载轨道中一个中间负载轨道的相反侧上。功率模块还包括两组第一组半导体开关，每组第一组半导体开关安装在内部负载轨道上并且电连接到中间负载轨道，使得第一组半导体开关形成半桥的第一臂。另外，功率模块包括两组第二组半导体开关，每组第二组半导体开关安装在中间负载轨道上并且电连接到外部负载轨道，使得第二组半导体开关形成半桥的第二臂。
[0007]衬底可以包括绝缘基底，具有导电轨道以形成附接到绝缘基底所需的电路系统。合适的衬底可以是由绝缘陶瓷层两侧的两个导电铜层形成的DBC(直接敷铜)衬底。其他合适的衬底可以包括DBA(直接敷铝)衬底或本领域公知的其他衬底。
[0008]术语“轨道”在此用于指定由形成衬底的一部分的金属层形成并且通过间隙与其他轨道绝缘的电路轨道。这种轨道传导电流并且可以用于形成电路系统，该电路系统使半导体开关能够在使用时控制流经半导体功率模块的电流。轨道可以用于传导开关电流本身，或者传导比如栅极信号等控制信号，这些信号控制半导体开关的开关。替代性地，轨道可以用于传导用于感测比如半导体开关模块的不同部分中的温度或电压等参数的信号。轨道的不同用途需要不同的轨道特性，例如它们对电流流动的阻力，或者它们的互感，并且轨道的物理构造和/或它们的布线可以考虑到这一点。术语“负载轨道”在此用于指定适合承载大电流的轨道，比如为电气负载供电的轨道，功率模块为该电气负载供电。对大电流适用性可能是轨道宽度和轨道厚度的组合，形成大的截面积，从而允许大电流通过而不会过度加热。具有较小截面的其他轨道(而不是负载轨道)可能适合传递控制或感测信号。
[0009]术语“半导体开关”在此用于包括许多已知的半导体开关设备中的任何一种。这种设备的示例是晶闸管、JFET、IGBT和MOSFET，并且它们可以基于传统的硅技术或宽带隙技术，比如碳化硅(SiC)。
[0010]术语“安装”在此用于意指设备与轨道的永久连接，并且可以包括导电连接。这种连接的方式包括焊接、铜焊和烧结。
[0011]术语“电连接到”在此用于意指设备的一部分与远程轨道或其他设备的连接。传统上，使用包括铝的金属引线进行这种形式的连接。然而，可以使用其他金属、比如铜。该术语还涵盖条带或胶带粘合、编织带的使用以及实心金属结构(比如夹子或汇流排)的使用。
[0012]术语“相邻”在此用于表示负载轨道彼此非常接近。参考负载轨道时使用的术语“相邻”不排除在负载轨道之间存在其他形式的轨道、比如控制或感测信号轨道。当两个负载轨道通过绝缘间隙或通过控制或感测信号轨道隔开，而不是通过其他负载轨道隔开时，它们在本文件中仍被描述为彼此“相邻”。
[0013]负载轨道的布局可以关于在第一方向上延伸的线对称。
[0014]可以经由布置在中间负载轨道与内部负载轨道之间的栅极轨道进行与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的栅极连接。
[0015]替代性地或另外地，可以经由布置在中间负载轨道与外部负载轨道之间的栅极轨道进行这种栅极连接。
[0016]再次替代性地或另外地，可以经由布置在外部负载轨道的与中间负载轨道相反的侧上的栅极轨道来进行这种栅极连接。
[0017]在一个实施例中，栅极轨道在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。
[0018]在另一个实施例中，由布置在中间负载轨道与内部负载轨道之间的源极感测轨道进行与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接。这种源极感测连接还称为开尔文连接，并且用于使得能够直接测量半导体本身的电位，并且防止负载电流耦接到栅极驱动电路。这有助于避免负载电流的任何电阻和/或电感耦接效应。
[0019]另外地或替代性地，可以经由布置在中间负载轨道与外部负载轨道之间的源极感测轨道，或者经由布置在外部负载轨道的与中间负载轨道相反的一侧的源极感测轨道进行
与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接。
[0020]另外地或替代性地，可以经由布置在外部负载轨道与衬底边缘之间的轨道进行与包括第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接和/或栅极连接。
[0021]在实施例中，源极感测轨道在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。
[0022]在替代实施例中，栅极和开尔文源极连接竖直地延伸至功率模块封装物的顶侧。
[0023]在优选实施例中，外部DC电源端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种提供半桥的功率模块(1)，该功率模块包括：至少一个衬底(2)，该至少一个衬底包括内部负载轨道(3)、两个中间负载轨道(4)和两个外部负载轨道(5)，每个负载轨道是长形的并且在第一方向(6)上基本上横跨该至少一个衬底(2)延伸；其中，该两个中间负载轨道(4)被布置为与该内部负载轨道(3)相邻，并且每个外部负载轨道(5)相对于基本上与该第一方向(6)正交的第二方向(7)布置在该两个中间负载轨道(4)中一个中间负载轨道的相反侧上；其中，该功率模块包括两组(8a
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8d，9a
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9d)第一组半导体开关，每组第一组半导体开关安装在该内部负载轨道(3)上并且电连接到中间负载轨道(4)，使得该第一组半导体开关形成该半桥的第一臂；其中，该功率模块包括两组(10
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10d，11a
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11d)第二组半导体开关，每组第二组半导体开关安装在中间负载轨道(4)上并且电连接到外部负载轨道(5)，使得该第二组半导体开关形成该半桥的第二臂。2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，经由布置在这些中间负载轨道(4)与该内部负载轨道(3)之间的栅极轨道(12，13，14，15)进行与包括该第一组(8a
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8d，9a
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9d)半导体开关和该第二组(10a
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10d，11a
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11d)半导体开关的这些半导体开关的栅极连接。3.根据权利要求1所述的功率模块，其中，经由布置在这些中间负载轨道(4)与这些外部负载轨道(5)之间的栅极轨道进行与包括该第一组(8a
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8d，9a
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9d)半导体开关和该第二组(10a
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10d，11a
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11d)半导体开关的这些半导体开关的栅极连接。4.根据权利要求1所述的功率模块，其中，经由布置在这些外部负载轨道(5)的与这些中间负载轨道(4)相反的侧上的栅极轨道进行与包括该第一组(8a
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8d，9a
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9d)半导体开关和该第二组(10a

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔瓦罗，
申请(专利权)人：丹佛斯硅动力有限责任公司，
类型：发明
国别省市：