电功率模块制造技术

本发明专利技术涉及一种集成半导体功率晶体管封装(10)，包括一半桥电路(100)，包括与低侧开关(130)的正功率端子串联连接的高侧开关(110)的负功率端子；每个开关(110、130)包括多个电并联连接的半导体功率晶体管管芯(400a、400b)；一第一基板(41)，具有覆层(415c)，覆层(415c)烧结接合至至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)，至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)限定所述低侧功率开关(130)；一第二基板(41)，与所述第一基板(41)平行；所述第二基板(44)具有覆层(445d)，覆层(445d)烧结接合至至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)，至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)限定所述高侧功率开关(110)；多个竖直间隔件(425b)，将至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)烧结接合到所述第二基板(44)的覆层(445c)，其中至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)限定所述第一基板(41)上的低侧功率开关(130)；多个竖直间隔件(425a)，将至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)烧结接合到第一基板(41)的覆层(415c)，其中至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)限定所述第二基板上的高侧功率开关(110)；和密封剂(460)，其至少密封所述第一和第二基板(41、44)之间的空腔。44)之间的空腔。44)之间的空腔。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电功率模块


[0001]本专利技术涉及高功率密度封装双面冷却封装结构的多个半导体功率晶体管，这种封装方法减少了热阻，改进了栅极控制信号的完整性，降低了材料成本，同时需要的生产工艺步骤更少。

技术介绍

[0002]封装在半桥电路结构中的半导体功率晶体管通常用于实现直流(DC)到交流(AC)功率逆变器电路、AC到DC功率转换器电路和DC到DC功率转换器电路。在这种功率转换电路中使用的半导体功率晶体管会散热。以有效的方式将散发的热量从封装中传导出去对于最大化这种半导体功率晶体管可以处理的功率，同时最小化半导体功率晶体管封装的尺寸和成本是重要的。
[0003]通过减少半导体功率晶体管管芯和封装散热器之间的材料层和材料键合层的数量，可以最小化半导体功率晶体管管芯和封装散热器之间的热阻。减少材料和材料键合层的数量进一步减少了所需的生产工艺步骤的数量，从而降低了封装成本。
[0004]通过改进半导体功率晶体管技术提高了晶体管开关速度，大概为几纳秒内几十个安培。半导体功率晶体管封装的寄生源极电感与快速开关电流瞬变相结合会导致与控制栅极信号相反的瞬态电压尖峰，如果这种瞬态电压尖峰不加以缓解，可能会导致开关性能显著下降，在某些情况下会导致器件出现故障。
[0005]半导体功率晶体管管芯和基板之间的焊接在受到热循环引起的应力的影响时，通常会限制封装的可靠性。使用热循环耐久性提高的替代键合方法来改进整体封装可靠性。
[0006]半导体功率晶体管封装内的杂散电感和与外部电路的连接会在快速晶体管开关事件期间导致过电压瞬变。如果不加以缓解，这种过电压瞬变会导致半导体功率晶体管失效。虽然可以通过增加栅极电阻来降低晶体管开关速度以抑制这种过电压瞬变，但是晶体管开关速度的这种降低会增加开关损耗，这是不可取的。
[0007]并联多个半导体功率晶体管可能会导致栅极信号谐振振荡到并联驱动的晶体管。如果不减轻这种振荡，可能会导致动态均流出现巨大变化，以及并联晶体管之间出现结温变化，从而导致性能损失和可能的器件故障。
[0008]本专利技术旨在提供解决一个或多个上述问题的实施例。包括对半导体功率晶体管的封装和冷却的改进的本公开描述了允许功率半导体开关以最佳性能、最高功率密度和最低成本操作的实施例。
附图说明
[0009]图1示出了根据本专利技术某些实施例的示例性半桥电路。
[0010]图2示意性地示出了根据本专利技术某些实施例的半导体功率晶体管管芯的横截面。
[0011]图3示出了根据本专利技术某些实施例的示例性电栅极驱动电路结构。
[0012]图4示出了根据本专利技术某些实施例的示例性双面冷却封装结构的横截面。
[0013]图5示出了根据本专利技术某些实施例的第一基板子组件的示例性结构。
[0014]图6示出了根据本专利技术某些实施例的第二基板子组件的示例性结构。
[0015]图7示出了根据本专利技术某些实施例的封装结构的示例性侧视图横截面。
[0016]图8示出了根据本专利技术某些实施例的第二基板子组件的另一示例性结构。
[0017]通过参考接下来的具体实施方式可以最佳理解本专利技术的实施例和它们的优点。应当理解，相似的附图标记用于指示一张或多张附图中示出的相似的元件，其中所示是为了说明本专利技术的实施例而不是为了限制本专利技术的保护范围。
具体实施方式
[0018]本专利技术涉及半导体功率晶体管的封装以及用于最大化功率密度同时最小化封装的晶体管与外部散热器之间的热阻的设备和方法。
[0019]本专利技术提供了解决一个或多个上述问题的实施例。描述了对封装和冷却结构的改进的本专利技术，描述了允许封装的半导体功率晶体管更高效、更可靠、具有更高功率密度和更具成本效益的实施例。
[0020]图1示意性地示出了本专利技术的两个功率开关的半桥电气配置100。在某些实施例中，两个半桥功率开关110和130中的每一个可以包括一个或多个并联连接的半导体功率晶体管。限定高侧功率开关110的晶体管的正功率端子电连接到正电压外部端子150，并且限定功率开关110的晶体管的负功率端子170电连接到中点端子160。限定低侧功率开关130的晶体管的正功率端子电连接到中点端子160，并且限定功率开关130的晶体管的负功率端子电连接到负电压外部端子170。限定功率开关110和130的半导体功率晶体管通过它们各自的栅极控制信号部分120和140来控制。
[0021]在某些实施例中，封装可以包括二极管结构110a和130a，二极管结构110a和130a包括多个半导体二极管管芯，该多个半导体二极管管芯分别与高侧和低侧功率开关110、130并联连接。
[0022]图2示意性地示出了根据本专利技术某些实施例的半导体功率晶体管管芯200的示例性内部结构的横截面。半导体功率晶体管管芯200的示意图示出了正功率端子焊盘210、负功率端子焊盘220和晶体管栅极端子焊盘230。在某些实施例中，半导体功率晶体管包括金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT结构。正负功率端子分别对应于MOSFET晶体管结构中的漏极端和源极端。正负功率端子分别对应于IGBT晶体管结构中的集电极端和发射极端。
[0023]在某些实施例中，MOSFET或IGBT晶体管结构可以由硅、碳化硅、氮化镓、另一种III
‑
V半导体或其他半导体材料形成。
[0024]本专利技术的某些实施例可用于实现直流(DC)到交流(AC)功率逆变器电路、AC到DC功率转换器电路和DC到DC功率转换器电路。这种功率转换电路会产生热量作为副产品。大部分热量是由封装内的半导体功率晶体管产生的。本专利技术的某些实施例提供了更有效和更均匀的方式以通过封装的顶面和底面散热。
[0025]图3示意性地示出了本专利技术的各种半导体功率晶体管电栅极驱动电路实施例。电路300a示意性地示出了公共栅极驱动电路。具有栅极驱动电源电压Vdd 320a的栅极驱动器320具有电连接到负电位350的返回路径，该负电位350通过串联连接的寄生电感Lp 330电
连接到半导体功率晶体管310的负功率端子310b。该寄生电感330是功率半导体封装内的电互连结构以及功率半导体封装外部的栅极驱动电路320的寄生效应的结果。栅极驱动器320通过向半导体功率晶体管的栅极端子310c施加栅极控制信号320b来控制半导体功率晶体管310。当半导体功率晶体管310的栅极端子310c和负功率端子310b之间的电压Vgn 310d高于某个器件特定电压阈值时，半导体功率晶体管310导通。同样，当Vgn 310d低于某个器件特定阈值时，半导体功率晶体管关断。栅极控制电压Vgn 310d还受寄生电感Lp 330和晶体管导通和关断瞬态期间电流变化率(di/dt)的影响。栅极控制电压Vgn 310d与寄生电感Vind 330a两端的电压相反。有效栅极控制电压Vgn 310d可以表示为：
[0026][0027]为了减轻寄生电感Lp 330对栅极控制电压Vgn 310d的影响，具有开尔文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种集成半导体功率晶体管封装(10)，包括一半桥电路(100)，包括与低侧开关(130)的正功率端子串联连接的高侧开关(110)的负功率端子；每个开关(110、130)包括多个电并联连接的半导体功率晶体管管芯(400a、400b)；一第一基板(41)，具有覆层(415c)，覆层(415c)烧结接合至至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)，至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)限定所述低侧功率开关(130)；一第二基板(41)，与所述第一基板(41)平行；所述第二基板(44)具有覆层(445d)，覆层(445d)烧结接合至至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)，至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)限定所述高侧功率开关(110)；多个竖直间隔件(425b)，将至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)烧结接合到所述第二基板(44)的覆层(445c)，其中至少一个半导体功率晶体管管芯(400b)限定所述第一基板(41)上的低侧功率开关(130)；多个竖直间隔件(425a)，将至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)烧结接合到第一基板(41)的覆层(415c)，其中至少一个半导体功率晶体管管芯(400a)限定所述第二基板上的高侧功率开关(110)；和密封剂(460)，其至少密封所述第一和第二基板(41、44)之间的空腔。2.根据权利要求1所述的集成半导体功率晶体管封装(10)，其特征在于，还包括：一电互连结...

【专利技术属性】
技术研发人员：米卡，
申请(专利权)人：皮尔伯格有限责任公司，
类型：发明
国别省市：