本发明专利技术公开了一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片排布在功率基板上表面的导电金属基板上；顶部以及底部功率衬底由旁路铜柱、辅助铜柱进行支撑连接；旁路铜柱的布局设计使得功率模块中并联芯片散热环境相似、热耦合一致，达到芯片均温的效果；旁路铜柱的热量传递能力提供芯片向顶部功率衬底传导热量的通道，大幅提高芯片散热能力，适用于多个宽禁带半导体功率芯片并联的大电流等级功率模块。带半导体功率芯片并联的大电流等级功率模块。带半导体功率芯片并联的大电流等级功率模块。
【技术实现步骤摘要】
一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块
[0001]本专利技术属于半导体封装
，具体涉及一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块。
技术介绍
[0002]功率模块是将一系列功率半导体芯片以实现一定功能为目的按照一定的拓扑进行封装集成形成的一种模块。相较于分立的功率器件组成的拓扑，功率模块具有高度集成性，在电学性能、热学性能、安全性、器件寿命、成本等方面具有很大的优越性。
[0003]随着半导体功率器件的不断发展，受诸如新能源并网、高压直流输电、电动汽车、高铁、航空航天、脉冲功率等军工、民用等重要的领域的应用环境要求不断提高，以及节能、“双碳”口号提出的影响。功率模块正不断朝着小型化、低损耗、高功率密度、高可靠性、高集成化的方向发展。特别是以基于碳化硅、氮化镓材料为代表的新一代宽禁带半导体器件的出现，在各工业领域中逐渐替代硅基器件，加速了功率模块的发展，使得使用宽禁功率半导体芯片的功率模块在相同的电压电流等级下拥有更小的体积、能够在更高的温度下工作、工作在更高的开开关频率从而进一步减小无源器件的体积以及改善变换器的效率。但是现有的封装沿用基于硅的封装结构，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：
[0004]1、传统的功率模块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，可以在相同的衬底面积下串并联多个芯片，并且由于其优异的体二极管特性，可以选择反并联或者不反并联功率二极管芯片；
[0005]2、传统功率模块是只有一个底部衬底，功率芯片散热主要靠通过底部衬底、散热器这一个散热路径散热，这种散热方式也被称为单面散热，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长期可靠运行；在热量不能被很好散发的情况下，起电气连接作用的键合线易在键合点处发生老化甚至脱落，导致功率模块失效。特别是对基于碳化硅的宽禁带功率芯片，虽然其热导率远高于硅，但由于其芯片面积较于硅基芯片大幅减小，故散热面积减小，总体散热挑战相较于硅更加严峻。
[0006]3、传统功率模块较难实现芯片的均流与均温，而这在高工作频率、恶劣环境下是至关重要的。芯片动态电流不均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，极有可能发生功率芯片的击穿失效，这在宽禁带半导体功率器件中造成的影响更加明显；同时，动态电流不均可以使芯片的损耗不均，进而使芯片的温度不均，导致不同芯片的粘接层的老化和失效的速率不同，并且通过影响芯片的阈值电压而加剧并联芯片的动态电流不均现象，进一步加速功率模块整体的失效。
[0007]综上所述，宽禁带功率半导体的优良特性受到传统封装的限制，没有发挥出应有的优异电学、热学特性。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，增加模
块的散热能力，从而充分发挥宽禁带器件的优良特性。
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，提供一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，对现有的模块散热技术进行改进和延伸。使用旁路铜柱技术增加模块散热能力，实现双面散热，从而实现多芯片、大电流的功率模块。
[0009]本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，包括若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片设置在顶部功率衬底和底部功率衬底之间，顶部功率衬底和底部功率衬底之间通过旁路铜柱和辅助铜柱支撑连接；
[0011]宽禁带功率半导体芯片与底部功率衬底的上导电金属区域功率回路之间通过键合线连接，宽禁带功率半导体芯片与顶部功率衬底的上导电金属区域功率回路之间通过旁路铜柱以及辅助铜柱连接，通过若干宽禁带功率半导体芯片构成半桥结构的上桥臂和下桥臂；
[0012]在底部功率衬底的上表面设置有功率端子；顶部功率衬底下表面的导电金属区域以及底部功率衬底上表面的导电金属区域分别设置有驱动端子。
[0013]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，顶部下表面金属层上划分有若干导电区域。
[0014]进一步的，若干导电区域包括顶部第一导电区域、顶部第二导电区域、顶部第三导电区域、顶部第四导电区域、顶部第五导电区域和顶部第六导电区域，顶部第一导电区域和顶部第二导电区域与驱动端子连接，顶部第三导电区域和顶部第四导电区域与宽禁带功率半导体芯片的导热路径连接，顶部第五导电区域和顶部第六导电区域连接驱动回路。
[0015]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，底部上表面金属层上设置有若干导电区域。
[0016]进一步的，若干导电区域包括底部第一导电区域、底部第二导电区域、底部第三导电区域、底部第四导电区域、底部第五导电区域、底部第六导电区域、底部第七导电区域、底部第八导电区域、底部第九导电区域和底部第十导电区域；底部第一导电区域、底部第五导电区域和底部第六导电区域与功率端子连接，底部第二导电区域、底部第四导电区域、底部第七导电区域、底部第八导电区域、底部第九导电区域和底部第十导电区域分别与对应驱动回路连接，底部第三导电区域与旁路铜柱连接；宽禁带半导体功率芯片包括设置于底部第五导电区域上的若干上桥臂芯片，以及设置于底部第三导电区域上的若干下桥臂芯片。
[0017]更进一步的，上桥臂芯片和下桥臂芯片的数量相同，相邻上桥臂芯片之间，以及相邻下桥臂芯片之间的间距相同。
[0018]具体的，驱动端子包括设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上的开尔文上桥臂源极端子和上桥臂栅极端子；设置在顶部功率衬底的顶部下表面金属层上的开尔文下桥臂源极端子和下桥臂栅极端子。
[0019]具体的，功率端子包括分别设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上的直流功率负极端子、直流功率正极端子和交流功率端子，直流功率正极端子和直流功率负极端子之间设置有第一耦合电容和第二耦合电容。
[0020]具体的，旁路铜柱在水平方向与并联的宽禁带半导体芯片组对应设置，在垂直方向上位于顶部功率衬底和底部功率衬底之间，设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上；辅助铜柱包括多个，与旁路铜柱平行设置。
[0021]具体的，上桥臂处的宽禁带功率半导体芯片处设置有上桥臂半导体芯片第一导热路径和上桥臂半导体芯片第二导热路径；上桥臂半导体芯片第一导热路径一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端依次经底部功率衬底上底部上表面金属层的导电区域、底部功率衬底的底部绝缘介质层和底部功率衬底的底部下表面金属层传导热量；上桥臂半导体芯片第二导热路径的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端横向经过底部功率衬底上底部上表面金属层的导电区域后，纵向依次经过旁路铜柱、顶部下表面金属层的导电区域、顶部功率衬底的顶部绝缘介质层，以及顶部功率衬底的顶部上表面金属层向外界传导热量；
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，包括若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片设置在顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间，顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间通过旁路铜柱和辅助铜柱支撑连接；宽禁带功率半导体芯片与底部功率衬底(200)的上导电金属区域功率回路之间通过键合线连接，宽禁带功率半导体芯片与顶部功率衬底(100)的上导电金属区域功率回路之间通过旁路铜柱以及辅助铜柱连接，通过若干宽禁带功率半导体芯片构成半桥结构的上桥臂和下桥臂；在底部功率衬底(200)的上表面设置有功率端子；顶部功率衬底(100)下表面的导电金属区域以及底部功率衬底(200)上表面的导电金属区域分别设置有驱动端子。2.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，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)，顶部下表面金属层(103)上划分有若干导电区域。3.根据权利要求2所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，若干导电区域包括顶部第一导电区域(111)、顶部第二导电区域(112)、顶部第三导电区域(113)、顶部第四导电区域(114)、顶部第五导电区域(115)和顶部第六导电区域(116)，顶部第一导电区域(111)和顶部第二导电区域(112)与驱动端子连接，顶部第三导电区域(113)和顶部第四导电区域(114)与宽禁带功率半导体芯片的导热路径连接，顶部第五导电区域(115)和顶部第六导电区域(116)连接驱动回路。4.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，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)，底部上表面金属层(201)上设置有若干导电区域。5.根据权利要求4所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，若干导电区域包括底部第一导电区域(211)、底部第二导电区域(212)、底部第三导电区域(213)、底部第四导电区域(214)、底部第五导电区域(215)、底部第六导电区域(216)、底部第七导电区域(217)、底部第八导电区域(218)、底部第九导电区域(219)和底部第十导电区域(220)；底部第一导电区域(211)、底部第五导电区域(215)和底部第六导电区域(216)与功率端子连接，底部第二导电区域(212)、底部第四导电区域(214)、底部第七导电区域(217)、底部第八导电区域(218)、底部第九导电区域(219)和底部第十导电区域(220)分别与对应驱动回路连接，底部第三导电区域(213)与旁路铜柱连接；宽禁带半导体功率芯片包括设置于底部第五导电区域(215)上的若干上桥臂芯片，以及设置于底部第三导电区域(213)上的若干下桥臂芯片。6.根据权利要求5所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，上桥臂...
【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，张彤宇，熊帅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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