本发明专利技术公开了一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，不同桥臂的半导体功率芯片设置于不同的功率衬底上，减小模块的体积，极大提高了模块功率密度；功率垫片设置于顶部、底部功率衬底之间，起机械支撑和电气连接作用，在双面散热的基础上为每一个半导体功率芯片提供额外的散热路径，降低芯片之间热耦合程度，达到芯片均温效果，同时改善芯片散热环境；驱动回路与换流回路近于在空间上近于垂直，回路之间电磁耦合程度得到极大降低，模块可靠性得到进一步提升；换流回路使用导电金属带完成芯片所须的电气连接，模块寄生电感数值极大减小，其中源极导电金属带于连接处开有孔槽，可以使寄生电感分布均匀度得到提升，达到芯片均流效果。达到芯片均流效果。达到芯片均流效果。
【技术实现步骤摘要】
基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构
[0001]本专利技术属于半导体封装
，具体涉及一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构。
技术介绍
[0002]功率模块是将若干功率半导体芯片按照一定的功能组合再封装形成的一个模块。相较于分立的功率器件，功率模块具有高度的集成性，因此在电学性能、热学性能以及经济考量等方面具都显示出很大的优越性。
[0003]近年来，随着以新能源并网、高压直流输电、电动汽车、高铁、航空航天、脉冲功率为代表的产业的快速发展，电力电子系统对半导体功率模块的性能要求日益提高，促进功率模块不断朝着小型化、低损耗、高功率密度、高可靠性、高集成化的方向发展。作为新一代宽禁带半导体材料的碳化硅功率器件凭借远高于传统硅基器件的优异性能，使得使用注入碳化硅等宽禁带半导体功率芯片的模块在相同的电压电流等级下拥有更小的体积，且能工作在更高的温度及开关频率下。但是碳化硅器件基本沿用硅的封装技术，正在成为限制器件性能的瓶颈因素，主要表现为：
[0004]1、传统的功率模块针对于面积较大硅基的功率半导体芯片设计，在衬底的同一金属区域上排列的芯片个数较少且往往需要反并联功率二极管，而以碳化硅为代表的宽禁带半导体功率芯片的面积远小于硅且体二极管特性优异，从而可以选择不反并联二极管且往往模块内集成更多的芯片。
[0005]2、传统功率模块的热学性能难以满足宽禁带半导体功率芯片。传统的功率模块散热采用单面散热的方式，半导体功率芯片散热主要靠通过底部衬底、散热器单一散热路径进行散热，芯片到周围环境的热阻大，非常不利于功率模块在长期可靠运行；同时传统功率模块大多采用铝键合线的电气互联方式，在热量不能被很好散发的情况下，键合点处易发生连接失效，尽管碳化硅热导率高于硅，但芯片面积远小于硅，散热环境更加恶劣。传统模块封装材料在选择上与硅的热膨胀系数相匹配，然而宽禁带半导体材料热膨胀系数与硅相差较大，易发生热可靠性问题。
[0006]3、传统功率模块难以实现功率芯片的均流，而这一性能在高的开关频率下至关重要。寄生电感的不同会造成芯片的动态电流分布不均，芯片的温度差异、热耦合会造成芯片的静态电流分布不均。尤其由于宽禁带功率半导体芯片开关速度远高于硅，在动态开关过程中，更容易发生芯片的击穿和温度的差异扩大，从而进一步加速模块整体的失效进程。
[0007]综上所述，基于宽禁带半导体材料的功率芯片受到传统封装的限制，没有发挥出材料本身应具有的优异电学、热学性能。因此需要一种新型的适用于宽禁带半导体的模块封装来克服传统功率模块封装结构的不足和限制，发挥出宽禁带功率半导体芯片的优异性能。
技术实现思路
[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，对现有的模块散热技术以及互联技术同时进行改进和延伸，该封装形式特别适合于宽禁带功率半导体芯片同时兼容硅基器件。另外本专利技术特别适用于半桥结构多芯片、大电流的均温、均流、高工作温度与高开关频率。
[0009]本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，包括顶部功率衬底和底部功率衬底，顶部功率衬底和底部功率衬底之间设置有功率垫片，顶部功率衬底和底部功率衬底分别连接有功率端子，功率端子与底部功率衬底之间，以及功率端子与底部功率衬底之间均设置有宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片通过导电金属带分别于底部功率衬底的上表面金属区域以及顶部功率衬底的下表面金属区域连接，底部功率衬底的上表面金属区域与驱动端子的上桥臂驱动端子连接，顶部功率衬底的下表面金属区域与驱动端子的下桥臂驱动端子连接。
[0011]具体的，顶部功率衬底从上到下依次包括顶部上表面金属层、顶部绝缘介质层和顶部下表面金属层。
[0012]进一步的，顶部下表面金属层上依次设置有顶部第一金属区域、顶部第二金属区域、顶部第三金属区域、顶部第四金属区域以及顶部第五金属区域，顶部第二金属区域连接直流侧功率垫片，顶部第三金属区域为开尔文源极金属区域；
[0013]下桥臂驱动端子包括第一下桥臂栅极驱动端子、第一下桥臂源极驱动端子、第二下桥臂栅极驱动端子以及第二下桥臂源极驱动端子；第一下桥臂栅极驱动端子和第二下桥臂栅极驱动端子设置在顶部第四金属区域的两端，第一下桥臂源极驱动端子和第二下桥臂源极驱动端子设置在顶部第三金属区域的两端。
[0014]具体的，底部功率衬底从上到下依次包括底部上表面金属层、底部绝缘介质层和底部下表面金属层。
[0015]进一步的，底部上表面金属层依次设置有底部第一金属区域、底部第二金属区域、底部第三金属区域以及底部第四金属区域，底部第三金属区域为开尔文源极金属区域；
[0016]上桥臂驱动端子包括底部第一栅极驱动端子、底部第一源极驱动端子、底部第二栅极驱动端子以及底部第二源极驱动端子；底部第一栅极驱动端子和底部第二栅极驱动端子设置在底部第二金属区域的两端，底部第一源极驱动端子和底部第二源极驱动端子设置在底部第三金属区域的两端。
[0017]具体的，宽禁带功率半导体芯片包括若干半导体芯片，若干半导体芯片分两组并联连接构成半桥结构的上桥臂和下桥臂，上桥臂处芯片设置在底部功率衬底的上表面金属层，下桥臂处芯片设置在顶部功率衬底的下表面金属层。
[0018]进一步的，两组半导体芯片的数量相同，同一组半导体芯片之间间距相同。
[0019]具体的，导电金属带包括源极导电金属带和栅极导电金属带，宽禁带功率半导体芯片设置在漏极金属区域上，宽禁带功率半导体芯片的漏极电极区域与漏极金属区域连接，宽禁带功率半导体芯片的栅极电极区域通过栅极导电金属带与栅极金属区域连接，禁带功率半导体芯片的源极电极区域通过源极导电金属带与开尔文源极金属区域和源极金属区域连接；源极导电金属带与禁带功率半导体芯片、开尔文源极金属区域和源极金属区
域的连接接触部位开有孔槽。
[0020]具体的，功率端子包括一个交流功率端子以及两个直流功率端子，两个直流端子为直流正极功率端子、直流负极功率端子，直流正极功率端子和交流功率端子设置在底部功率衬底上，直流负极功率端子设置在顶部功率衬底上。
[0021]进一步的，直流正极功率端子和直流负极功率端子之间设置有第一解耦电容和第二解耦电容。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0023]本专利技术一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，顶部以及底部功率衬底用于设置、功率端子、驱动端子、上下桥臂半导体芯片以及对外连接散热器，构成模块的外形框架，实现模块双面散热；长条柱状的功率垫片对模块进行可靠的机械支撑，同时紧邻半导体芯片设置，可以极大减小芯片之间的热耦合，并为每个功率半导体芯片提供额外的散热路径，在双面散热的基础上进一步增强模块的散热能力；导电金属带与半导体芯片配套设置用于实现模块内芯片的电气连接功能；功率端子以及驱动端子实现模块与本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，其特征在于，包括顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)，顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间设置有功率垫片，顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)分别连接有功率端子，功率端子与底部功率衬底(200)之间，以及功率端子与底部功率衬底(200)之间均设置有宽禁带功率半导体芯片(400)，宽禁带功率半导体芯片(400)通过导电金属带分别于底部功率衬底(200)的上表面金属区域以及顶部功率衬底(100)的下表面金属区域连接，底部功率衬底(200)的上表面金属区域与驱动端子的上桥臂驱动端子连接，顶部功率衬底(100)的下表面金属区域与驱动端子的下桥臂驱动端子连接。2.根据权利要求1所述的基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，其特征在于，顶部功率衬底(100)从上到下依次包括顶部上表面金属层(101)、顶部绝缘介质层(102)和顶部下表面金属层(103)。3.根据权利要求2所述的基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，其特征在于，顶部下表面金属层(103)上依次设置有顶部第一金属区域(121)、顶部第二金属区域(122)、顶部第三金属区域(123)、顶部第四金属区域(124)以及顶部第五金属区域(125)，顶部第二金属区域(122)连接直流侧功率垫片(301)，顶部第三金属区域(123)为开尔文源极金属区域；下桥臂驱动端子包括第一下桥臂栅极驱动端子(112)、第一下桥臂源极驱动端子(211)、第二下桥臂栅极驱动端子(114)以及第二下桥臂源极驱动端子(115)；第一下桥臂栅极驱动端子(112)和第二下桥臂栅极驱动端子(114)设置在顶部第四金属区域(124)的两端，第一下桥臂源极驱动端子(211)和第二下桥臂源极驱动端子(115)设置在顶部第三金属区域(123)的两端。4.根据权利要求1所述的基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，其特征在于，底部功率衬底(200)从上到下依次包括底部上表面金属层(201)、底部绝缘介质层(202)和底部下表面金属层(203)。5.根据权利要求4所述的基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，其特征在于，底部上表面金属层(201)依次设置有底部第一金属区域(221)、底部第二金属区域(222)、底部第三金属区域(223)以及底部第四金属区域(224)，底部第三金属区域(223)为...
【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，熊帅，张彤宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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