本发明专利技术公开了一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，在同组并联的宽禁带半导体芯片之间以平面互连的结构方式进行电气连接并最终与功率衬底底部金属层相连，无需使用键合线，既减小了电感，又通过互连的方式极大均衡了芯片到端子的寄生电感，大幅提高模块的均流能力；另外，功率衬底的金属层、功率端子驱动端子以及平面互连结构表面均镀银，可以有效提高模块内金属在高温下的抗氧化能力，同时表面镀银的方式更容易使用纳米银烧结技术，进一步提高模块的耐高温能力；具有耐高温、低寄生电感以及低寄生电感不平衡度的特点，特别适用于半桥结构的多芯片电流的均流、高开关频率以及高工作温度。及高工作温度。及高工作温度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构
[0001]本专利技术属于半导体封装
，具体涉及一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构。
技术介绍
[0002]以碳化硅功率半导体芯片为核心的的新一代宽禁带半导体器件在电学、热学方面相较于硅基器件具有优异的特性，越来越被广泛应用于电动汽车、高铁、航空航天、脉冲功率、新能源并网、高压直流输电等重要军、民、商领域。并且随着“双碳”目标的提出，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。
[0003]然而仍被广泛应用于碳化硅器件的传统功率模块结构存在诸多问题，从而封装技术结构正在成为限制碳化硅器件性能的瓶颈因素，主要表现为：
[0004]1、传统的功率模块使用铝键合线的电气连接方式，接触面积小，在键合点处易发生连接失效。
[0005]2、传统的功率模块采用传统的焊料，在高温下会熔化造成连接失效，限制模块应用于高温环境。
[0006]3、传统功率模块寄生电感大且难以实现功率芯片的均流，尤其是在高开关频率下会造成严重的电压过冲和电流不均衡，进一步造成芯片损坏或模块失效。
[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，没有发挥出碳化硅材料本身应具有的优异性能。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，提供一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，具有耐高温、低寄生电感以及低寄生电感不平衡度的特点，特别适用于半桥结构多芯片电流的均流、高开关频率以及高工作温度，以解决大电流功率模块并联芯片因模块内寄生参数不匹配导致电流分配不均的技术问题。
[0009]本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，包括若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片，若干宽禁带功率半导体芯片的底面设置在功率衬底的顶部金属层上，宽禁带碳化硅功率半导体芯片的表面通过平面互连结构与顶部金属层上设置的导电金属区域以及其他宽禁带功率半导体芯片的表面连接；顶部金属层上设置有功率端子和驱动端子，顶部金属层的直流正极金属区域和直流负极金属区域分别连接解耦电容，功率衬底、功率端子、驱动端子和平面互连结构的表面镀银。
[0011]具体的，直流正极金属区域的一侧设置有上桥臂栅极金属区域和上桥臂开尔文源极金属区域，直流正极金属区域与直流负极金属区域之间设置有交流极金属区域、下桥臂栅极金属区域和下桥臂开尔文源极金属区域。
[0012]进一步的，宽禁带碳化硅功率半导体芯片包括多个上桥臂宽禁带功率半导体芯片和对应的下桥臂宽禁带功率半导体芯片，上桥臂宽禁带功率半导体芯片设置在直流正极金属区域上，上桥臂宽禁带功率半导体芯片的栅极分别与上桥臂栅极金属区域连接，上桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极分别与上桥臂开尔文源极金属区域连接；下桥臂宽禁带功率半导体芯片设置在交流极金属区域上，下桥臂宽禁带功率半导体芯片的栅极分别与下桥臂栅极金属区域连接，桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极分别与下桥臂开尔文源极金属区域连接。
[0013]进一步的，驱动端子包括上桥臂源极驱动端子、上桥臂栅极驱动端子、下桥臂栅极驱动端子和下桥臂源极驱动端子，上桥臂源极驱动端子设置在上桥臂开尔文源极金属区域，上桥臂栅极驱动端子设置在上桥臂栅极金属区域，下桥臂栅极驱动端子设置在下桥臂栅极金属区域，下桥臂源极驱动端子设置在下桥臂开尔文源极金属区域。
[0014]具体的，功率端子包括直流正极功率端子、直流负极功率端子以及交流极功率端子，直流正极功率端子设置在直流正金属区域，直流负极功率端子设置在直流负极金属区域，交流极功率端子设置在交流极金属区域。
[0015]具体的，解耦电容包括第一解耦电容和第二解耦电容，直流正极金属区域分别通过第一解耦电容和第二解耦电容与直流负极金属区域连接。
[0016]具体的，宽禁带碳化硅功率半导体芯片包括若干半导体芯片，若干半导体芯片分为两组，每组内的半导体芯片并联连接，两组之间的半导体芯片的串联连接构成典型半桥结构的上桥臂和下桥臂，同组半导体芯片的间距相同。
[0017]具体的，平面互连结构包括上桥臂平面互连结构和下桥臂平面互连结构，上桥臂平面互连结构将上桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极进行互连，并连接交流极金属区域；下桥臂平面互连结构将下桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极进行互连，并连接直流负极金属区域。
[0018]进一步的，上桥臂平面互连结构包括上桥臂第七导电通路和上桥臂第八导电通路，上桥臂第七导电通路和上桥臂第八导电通路的一端分别通过若干上桥臂导电通路连接对应的上桥臂宽禁带功率半导体芯片，另一端分别通过若干上桥臂导电通路连接交流极金属区域；
[0019]下桥臂平面互连结构包括相互导通的下桥臂第一导电通路、下桥臂第二导电通路、下桥臂第三导电通路和下桥臂第四导电通路，下桥臂第一导电通路和下桥臂第二导电通路之间通过下桥臂第五导电通路连接直流负极金属区域，下桥臂第三导电通路和下桥臂第四导电通路之间通过下桥臂平第六导电通路连接直流负极金属区域。
[0020]具体的，顶部金属层的下侧依次设置有绝缘介质层和底部金属层。
[0021]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0022]本专利技术一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，若干宽禁带半导体芯片通过串联或并联方式以提高功率模块的容量，同组并联的宽禁带半导体芯片之间以平面互连的结构方式进行电气连接并最终与功率衬底底部金属层相连，采用平面互连结构对宽禁带半导体表面进行电气连接可以大幅减小各芯片源极寄生电感的大小和不平衡度，无需使用键合线，既减小了电感，又通过互连的方式极大均衡了芯片到端子的寄生电感，进一步提高模块的均流能力；另外，本专利技术兼具高温性能，功率衬底的金属层、功率端子、驱动端子以
及平面互连结构表面均镀银，以便更好使用烧结银连接方式，增强连接稳定性，大幅提高温下金属的抗氧化能力，同时表面镀银更容易使用纳米银烧结技术，进一步提高模块的耐高温能力。
[0023]进一步的，功率衬底顶部金属层的直流正极金属区域、交流极金属区域以及直流负极金属区域采用大面积铺铜，增强电流流通能力和模块的导热能力。
[0024]进一步的，金属层单独设置开尔文源极金属区域，功率半导体芯片的源极、栅极构成的驱动回路采用开尔文连接方式，能够有效防止功率源极寄生电感进入驱动回路，实现驱动回路的开尔文连接，消除功率回路对驱动回路共源极电感的影响。
[0025]进一步的，驱动端子设置在功率衬底顶部金属层对应金属区域，便于模块与外界驱动电路进行连接。
[0026]进一步的，驱动端子设置在功率衬底顶部金属层对应金属区域，便于模块与外界功率电路进行连接。
[0027]进一步的，解耦电容两端紧邻功率端子设置，可以在最大程度上避免引入本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，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，若干宽禁带功率半导体芯片的底面设置在功率衬底(100)的顶部金属层(101)上，宽禁带碳化硅功率半导体芯片的表面通过平面互连结构与顶部金属层(101)上设置的导电金属区域以及其他宽禁带功率半导体芯片的表面连接；顶部金属层(101)上设置有功率端子和驱动端子，顶部金属层(101)的直流正极金属区域(113)和直流负极金属区域(117)分别连接解耦电容，功率衬底(100)、功率端子、驱动端子和平面互连结构的表面镀银。2.根据权利要求1所述的基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，其特征在于，直流正极金属区域(113)的一侧设置有上桥臂栅极金属区域(112)和上桥臂开尔文源极金属区域(111)，直流正极金属区域(113)与直流负极金属区域(117)之间设置有交流极金属区域(114)、下桥臂栅极金属区域(115)和下桥臂开尔文源极金属区域(116)。3.根据权利要求2所述的基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，其特征在于，宽禁带碳化硅功率半导体芯片包括多个上桥臂宽禁带功率半导体芯片和对应的下桥臂宽禁带功率半导体芯片，上桥臂宽禁带功率半导体芯片设置在直流正极金属区域(113)上，上桥臂宽禁带功率半导体芯片的栅极分别与上桥臂栅极金属区域(112)连接，上桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极分别与上桥臂开尔文源极金属区域(111)连接；下桥臂宽禁带功率半导体芯片设置在交流极金属区域(114)上，下桥臂宽禁带功率半导体芯片的栅极分别与下桥臂栅极金属区域(115)连接，桥臂宽禁带功率半导体芯片的源极分别与下桥臂开尔文源极金属区域(116)连接。4.根据权利要求2所述的基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，其特征在于，驱动端子包括上桥臂源极驱动端子(304)、上桥臂栅极驱动端子(305)、下桥臂栅极驱动端子(306)和下桥臂源极驱动端子(307)，上桥臂源极驱动端子(304)设置在上桥臂开尔文源极金属区域(111)，上桥臂栅极驱动端子(305)设置在上桥臂栅极金属区域(112)，下桥臂栅极驱动端子(306)设置在下桥臂栅极金属区域(115)，下桥臂源极驱动端子(307)设置在下桥臂开尔文源极金属区域(116)。5.根据权利要求1所述的基于平面互连的宽禁带半导体模块封装结构，其特征在于，功率端子包括直流正极功率端子(301)、直流负极功率端...
【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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