针对包括顶部冷却功率半导体开关器件的功率级的热管理方案制造技术

一种用于改善顶部冷却半导体功率开关器件(例如，嵌入式管芯封装中的高电压、高电流横向GaN功率晶体管)的散热和EMC的功率级组件。功率开关器件安装在PCB基板上，其中，每个器件封装的底侧和PCB之间存在电连接件。每个器件封装具有在顶侧上的导热垫。散热器被固定为与每个器件的导热垫热接触，并且散热片与散热器热接触。散热器是多层结构，该多层结构包括：与散热片接触的导热金属基板层；提供EMC层的传导层，该EMC层连接到电源地；限定大面积导热垫的传导层，该大面积导热垫与每个管芯的导热垫热接触；以及使散热器的传导层电隔离的介电材料。料。料。

【技术实现步骤摘要】
针对包括顶部冷却功率半导体开关器件的功率级的热管理方案


[0001]本专利技术涉及针对功率半导体开关器件的热管理方案，例如，针对包括用于高电流/高电压应用领域的氮化镓(GaN)功率晶体管的功率级或功率模块的热管理方案。

技术介绍

[0002]功率半导体开关器件可包括横向高电子迁移率晶体管(HEMT)，诸如使用宽带隙半导体技术制造的横向增强模式(E模式)HEMT，例如，III族氮化物半导体材料。
[0003]诸如横向GaN HEMT等GaN功率晶体管实现与高开关频率组合的高电流、高电压运行。对于一些功率应用，GaN功率器件和系统的优势优于使用Si IGBT和二极管以及碳化硅(SiC)功率晶体管和二极管的硅技术。例如，与基于硅或SiC技术的同类系统相比，包括横向GaN功率晶体管的功率开关系统提供更高的开关效率、更低的损耗和更小的外形。为了受益于横向GaN晶体管的固有性能特性，重要的设计考虑因素包括例如：器件布局(拓扑结构)、低电感互连和封装，以及有效的热管理。目前可从GaN Systems有限公司购买基于Island Technology
(R)
的用于在100V和650V下高电流运行的横向GaN功率晶体管，该横向GaN功率晶体管使器件的栅极宽度W
g
较大、导通电阻R
on
较小以及每单位有源区的电流容量较高。
[0004]例如，GaN Systems有限公司早期提交的与嵌入式管芯封装相关的专利文献和非专利出版物中公开了使用顶侧导热垫或底侧导热垫提供低电感互连和低热阻抗的嵌入式管芯封装方案。
[0005]GaN功率开关器件在紧凑型表面贴装器件(SMD)封装(诸如GaNPx类型的嵌入式管芯封装)中实现高电流容量。为了提供高电流容量，功率模块或功率级组件可包括多个安装在基板上的GaN晶体管，该基板提供电连接件，例如，诸如印刷电路板(PCB)等功率基板或功率模块的功率基板，多个GaN晶体管在该功率基板上并联连接并且被配置成提供半桥式开关拓扑结构或其它开关拓扑结构的高压侧开关和低压侧开关。例如，功率基板可基于使用FR4类型的介电层和铜导电层的多层PCB技术、IMS(绝缘金属基板)技术或DBC(直接键合铜)技术。
[0006]Ruoyu Hou(Hou)在2020年7月14日发表的主题为“GaN晶体管的热管理技巧”的演讲中提供了有关针对包括GaN晶体管(诸如使用顶部冷却设计和底部冷却设计的e模型横向GaN HEMT)的GaN功率开关器件的热管理设计的背景信息。例如，由于漏源导通电阻R
DSon
和传导损耗与温度相关，并且在结点温度Tj升高时，故障时间加快，因此良好的器件级和系统级热设计是实现性能改善的重要考虑因素，例如，减少总损耗，提高系统效率和/或提高系统可靠性。
[0007]例如，管芯尺寸较小以及嵌入式管芯封装尺寸较小的高电流GaN HEMT提供较高的功率密度和小面积导热垫，这对热管理提出了挑战，具体是有效地去除多个紧密相邻安装在功率基板上的功率器件中的热量。关于电磁兼容性(EMC)，由于GaN HEMT在较高开关频率下运行，因此EMC也是一种设计考虑因素。
[0008]需要得到改善的或替代的针对半导体功率开关器件(诸如包括GaN功率晶体管的功率级)的热管理方案。

技术实现思路

[0009]本专利技术寻求提供得到改善的或替代的针对功率开关器件(例如，包括高电流/高电压GaN功率晶体管的功率级)的热管理方案，其减轻或规避上述问题中的至少一种问题。
[0010]本专利技术的一个方面提供一种用于顶部冷却半导体功率开关器件的功率级组件，该功率级组件包括：PCB基板；多个嵌入式管芯封装，每个管芯包括半导体功率开关器件，该半导体功率开关器件包括至少一个功率晶体管，具有在管芯的正侧上的晶体管的源极、漏极和栅极接触区，以及在管芯的背侧上的导热垫；该多个嵌入式管芯封装安装在PCB基板上，其中，PCB的传导迹线和每个管芯的正侧上的源极、漏极和栅极接触区之间存在电连接件；散热器，该散热器与每个管芯的背侧上的导热垫热接触；该散热器固定到PCB基板；和散热片，该散热片与散热器热接触；其中，散热器是多层结构，多层结构包括：第一层，该第一层包括与散热片接触的导热金属基板层；第二层，该第二层包括导热介电层；第三层，该第三层包括限定电磁兼容性(EMC)屏蔽层的导电和导热材料；第四层，该第四层包括导热介电层；第五层，该第五层包括导电和导热材料，导电和导热材料限定与每个管芯的导热垫热接触的导热垫；介电层提供在所述传导层之间的电隔离；并且EMC屏蔽层互连到电源地；并且第三层的导热垫的面积大于每个嵌入式管芯封装的导热垫的面积，用于提供横向散热。
[0011]本专利技术的第二方面提供一种用于被配置用于半桥式开关模块的功率级组件的散热器，其中，多个嵌入式管芯封装被布置成提供包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的高压侧开关以及包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的低压侧开关，散热器包括多层绝缘金属基板(IMS)结构，该多层IMS结构包括：第一层，该第一层包括导热金属基板层；第二层，该第二层包括导热介电层；第三层，该第三层包括限定电磁兼容性(EMC)屏蔽层的导电和导热材料；第四层，该第四层包括导热介电层；第五层，该第五层包括导电和导热材料，该导电和导热材料限定与每个管芯的导热垫热接触的导热垫；
介电层提供在所述传导层之间的电隔离；并且EMC屏蔽层互连到电源地；第五层的导热垫的面积大于每个嵌入式管芯封装的导热垫的面积，用于提供横向散热；散热器的第五层的所述导热垫包括用于低压侧开关的第一导热垫以及用于高压侧开关的第二导热垫，并且其中，第一导热垫通过第四层电互连到EMC屏蔽层。
[0012]本专利技术的另一个方面提供一种用于顶部冷却半导体功率开关器件的功率级组件，该功率级组件包括：PCB基板多个嵌入式管芯封装，每个嵌入式管芯封装包括半导体功率开关器件，该半导体功率开关器件包括至少一个功率晶体管，具有在管芯封装的底侧上的源极、漏极和栅极接触区以及在管芯封装的顶侧上的导热垫；该多个嵌入式管芯封装安装在PCB基板上，其中，PCB基板的传导迹线和每个管芯封装的底侧上的源极、漏极和栅极接触区之间存在电连接件；散热器，该散热器与每个管芯的背侧上的导热垫热接触；该散热器固定到PCB基板；并且散热片，该散热片与散热器热接触；其中，散热器是多层结构，该多层结构包括：第一层，该第一层包括与散热片接触的导热金属基板层；第二层，该第二层包括导热介电层；第三层，该第三层包括导电和导热材料，该导电和导热材料限定与每个管芯封装的顶侧上的导热垫接触的导热垫；介电层提供在散热器的第一层和第二层之间的电隔离；第三层的导热垫的面积大于每个嵌入式管芯封装的导热垫的面积，用于提供横向散热。
[0013]例如，示例性实施方案的功率级组件具体地适用于III族氮化物功率开关器件，诸如高电压/高电流横向GaN HEMT，其使每单位管芯面积的电流容量较高并且可封装在提供高功率密度和低电感互连的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于顶部冷却半导体功率开关器件的功率级组件，所述功率级组件包括：PCB基板；多个嵌入式管芯封装，每个管芯封装包括半导体功率开关器件，所述半导体功率开关器件包括至少一个功率晶体管，具有在所述嵌入式管芯封装的正侧上的电接触区，以及在所述嵌入式管芯封装的所述背侧上的导热垫；所述多个嵌入式管芯封装安装在所述PCB基板上，其中，所述PCB的所述传导迹线和每个管芯封装的所述正侧上的所述电接触区之间存在电连接件；散热器，所述散热器与每个管芯封装的所述背侧上的所述导热垫热接触；所述散热器固定到所述PCB基板；和散热片，所述散热片与所述散热器热接触；其中，所述散热器是多层结构，所述多层结构包括：第一层，所述第一层包括与所述散热片接触的导热金属基板层；第二层，所述第二层包括导热介电层；第三层，所述第三层包括限定电磁兼容性(EMC)屏蔽层的导电和导热材料；第四层，所述第四层包括导热介电层；第五层，所述第五层包括导电和导热材料，所述导电和导热材料限定与每个管芯的导热垫热接触的导热垫；所述介电层提供在所述传导层之间的电隔离；并且所述EMC屏蔽层互连到电源地；并且所述第五层的所述导热垫的面积大于每个嵌入式管芯封装的所述导热垫的面积，用于提供横向散热。2.根据权利要求1所述的功率级组件，其中，所述散热器的所述层由多层绝缘金属基板(IMS)提供。3.根据权利要求1或2所述的功率级组件，其中，所述顶部冷却功率开关器件是GaN功率开关器件。4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率级组件，所述功率级组件被配置用于半桥式开关拓扑结构、全桥式开关拓扑结构或其它包括多个功率开关器件的开关拓扑结构。5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率级组件，其中，所述嵌入式管芯封装的导热垫的面积为A
D
，并且所述散热器的所述导热垫的面积为A
H
，并且其中，A
H
:A
D
的面积比的范围是3:1至10:1。6.根据权利要求1至4中任一项所述的功率级组件，其中，所述嵌入式管芯封装的导热垫的面积为A
D
，并且所述散热器的所述导热垫的面积为A
H
，并且其中，A
H
:A
D
的面积比大于5:1。7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率级组件，所述功率级组件被配置用于半桥式开关拓扑结构，其中：所述嵌入式管芯封装被布置成提供包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的高压侧开关以及包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的低压侧开关，并且所述散热器的所述第五层的所述导热垫包括用于所述低压侧开关的第一导热垫以及
用于所述高压侧开关的第二导热垫，并且其中，所述第一导热垫通过所述第四层互连到所述EMC屏蔽层。8.根据权利要求1至6中任一项所述的功率级组件，所述功率级组件被配置用于全桥式开关拓扑结构，其中：所述嵌入式管芯封装被布置成提供包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的高压侧开关以及包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的低压侧开关，并且所述散热器的所述第五层的所述导热垫包括用于每个所述低压侧开关的第一导热垫以及用于每个所述高压侧开关的第二导热垫，并且其中，所述第一导热垫通过所述第四层互连到所述EMC屏蔽层。9.一种用于被配置用于半桥式开关模块的功率级组件的散热器，其中，多个嵌入式管芯封装被布置成提供包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的高压侧开关以及包括一个功率开关器件或多个并联连接的功率开关器件的低压侧开关，所述散热器包括多层绝缘金属基板(IMS)结构，所述多层IMS结构包括：第一层，所述第一层包括导热金属基板层；第二层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯若宇，卢俊诚，
申请(专利权)人：GaN系统公司，
类型：发明
国别省市：