CN102664177A - 一种双面冷却的功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

一种双面冷却的功率半导体模块。所述的功率半导体模块（100）含有至少两个功率半导体芯片（107、106），其位于第一衬底（115）和第二衬底（103）之间。每个衬底均由三层结构组成：中间一层为高导热的电绝缘层，电绝缘层的上层和下层为金属层。所述的金属层含有电路结构，通过焊接实现功率半导体芯片、正极端子、负极端子、交流输出端子和栅极控制端子之间的互联。功率半导体芯片的栅极控制端子位于该芯片的中间或边角处。一块凹形冷却板倒扣安装在第一衬底（115）上的绝缘层（117）或第一金属层（215a）上，另一块平板状冷却板水平布置在第二衬底（103）下面。所述的功率半导体芯片的热量通过第一衬底（115）和第二衬底（103）传导至两块冷却板散热，从而实现双面冷却。

Description

一种双面冷却的功率半导体模块

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块。

背景技术

随着混合动力汽车，纯电动汽车，太阳能发电和风力发电等技术的发展，大功率的变流器得到了广泛的应用。为了满足高功率密度的要求，逆变器的体积小型化成为了人们关注的热点。然而体积的缩小对功率半导体模块的散热和冷却提出了较高的要求。

目前车用大功率半导体模块普遍采用水循环单面冷却和双面冷却的方法。专利US2008079021A1中提及车用尤其混合动力汽车用的功率半导体的芯片，其结温可能达到175℃甚至达到200℃，过高的芯片结温大大的降低了功率半导体模块的循环次数。为了延长功率半导体模块的寿命，该专利中提出了几种冷却的方法。虽然此专利通过改进冷却板的结构在一定程度上提高了功率密度，但是由于仅仅是单面冷却很难达到良好的冷却效果。另外此专利对于功率半导体芯片例如IGBT和二极管之间的连接采用金属键合线的方法，此方法在高温条件下由于热疲劳，键合线容易脱落，降低了模块的可靠性。

专利US7696532B2中所述的功率半导体模块采用了双面冷却的方法，提高了模块的冷却效果，但是该专利所述的功率半导体芯片的栅极控制端子位于芯片的一端，控制端可以通过引线引出，方便了功率半导体芯片例如IGBT的集电极和发射极的焊接。然而目前常用的IGBT或者MOSFET芯片的控制极端子常位于芯片的中心，这种结构的芯片采用传统的双面冷却方法很难实现有效的双面冷却。此外该专利中并没有给出多芯片并联形式下双面冷却的衬底设计方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种无引线的多芯片并联的双面冷却功率半导体模块的封装结构。本发明可降低芯片结壳热阻，降低芯片的结温，同时降低了模块的杂散电感，从而大大提高功率半导体模块的功率密度。

本发明采用的技术方案如下：

本发明功率半导体模块由功率半导体芯片、衬底、冷却板、正极端子、负极端子、交流输出端子、栅极引出端子和发射极引出端子等组成。所述的功率半导体模块含有至少两个功率半导体芯片：至少一个全控型功率半导体芯片和至少一个不控型功率半导体芯片。所述的功率半导体芯片位于第一和第二衬底之间。每个衬底均由三层结构组成：衬底的中间一层为高导热的电绝缘层，电绝缘层的上层和下层为金属层。所述的金属层含有电路结构，通过焊接实现功率半导体芯片和所述的正极端子、负极端子和交流输出端子之间的互联。所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制端子位于该芯片的中间或位于该芯片的边角处。所述的冷却板有两块，其中第一冷却板为凹形，倒扣安装在第一衬底上面，第二冷却板为平板状，水平布置在第二衬底下面。所述的功率半导体芯片的热量通过第一衬底传导至第一冷却板进行散热，同时功率半导体芯片的热量也通过第二衬底传导至第二冷却板，从而实现双面冷却。第一和第二冷却板之间通过螺栓固定，形成功率半导体模块的外壳。外壳内的空间填充有树脂。

所述的全控型功率半导体芯片如IGBT，MOSFET等，不控型功率半导体芯片如硅基二极管或碳化硅基二极管等。一个全控型功率半导体芯片和一个反并联的不控型功率半导体芯片连接组成一个单元，多个单元并联以实现大功率。为实现双面冷却，全控型功率半导体芯片的栅极控制端子位于芯片的边角处，从而简化双面冷却模块的设计难度。然而目前市场中常见的全控型功率半导体芯片的栅极控制端通常位于芯片的中心，若采用传统的方法很难实现双面冷却。本发明通过金属化过孔将全控型功率半导体芯片的栅极控制端子连接到衬底的金属层，通过所述的金属层实现多个栅极控制端子的并联。因此本发明既适用于栅极控制端子位于中心的全控型功率半导体芯片，也适用于栅极控制端子位于边角的全控型功率半导体芯片。功率半导体器件通过软焊料焊接于所述衬底的金属层上，防止芯片被挤压损坏。

衬底的电绝缘层可以采用氧化铝，氮化铝或者氮化硅等高导热材料制作，衬底的金属层的材料可以为铜﹑铝或者铜的合金等。功率半导体芯片通过衬底的金属层的电路结构实现互连。功率半导体芯片产生的热量经过衬底最终传导至冷却板。所述的冷却板本身可以带有冷却通道，可以在第二冷却板设置冷却通道实现准双面冷却，也可以在第一冷却板和第二冷却板均设置冷却通道。所述的冷却通道内通入冷却液，还可以采用其他冷却方式。

功率半导体模块中的正极端子，负极端子，交流输出端子伸出所述模块的外面，用于连接其他部件。全控型功率半导体芯片中的栅极控制端和发射极同样伸出所述模块之外，以实现与外部电路的连接。

所述的功率半导体模块由于采用多个功率半导体芯片并联的结构，因此可以增大功率半导体模块的通流能力，同时由于功率半导体芯片的上下两个表面均可以散热，提高了功率半导体模块的功率密度，因此本发明特别适合于混合电动汽车或者纯电动汽车中体积小功率大冷却液温度高的场合。本发明功率半导体芯片之间的互联通过金属层电路焊接来实现，避免了使用键合线连接，因此大大提高了功率半导体模块的可靠性。总之，本发明可以实现模块优异的热管理能力和更高的温度循环与功率循环能力。

附图说明

图1为本发明实施例一的截面示意图；

图2为本发明实施例一的第一衬底的俯视图；

图3为本发明实施例一的第一衬底的仰视图；

图4为本发明实施例一的第二衬底的俯视图；

图5为本发明实施例一的功率半导体芯片通过衬底连接到第二冷却板的俯视图；

图6为本发明实施例一的多个功率半导体芯片并联结构图；

图7为本发明实施例一的第二金属层芯片层和第三金属层分解示意图；

图8为本发明实施例二的截面示意图；

图9为本发明实施例二的功率半导体芯片通过衬底连接至第二冷却板的俯视图；

图10为本发明实施例二的IGBT和反并联二极管俯视图；

图11为本发明实施例二的第二金属层芯片层和第二衬底分解示意图；

图12为本发明实施例二的第二金属层仰视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明所述的功率半导体模块100由功率半导体芯片106、107，衬底103、115，冷却板101、112，正极端子121，负极端子123，交流输出端子122，栅极引出端子118，以及发射极引出端子119等组成。所述的功率半导体模块含有至少两个功率半导体芯片：不控型功率半导体芯片106和全控型功率半导体芯片107，两个功率半导体芯片106、107并联，位于第一衬底115和第二衬底103之间。第一衬底115由第一金属层115a，第一绝缘层115b和第二金属层115c组成；第二衬底103由第三金属层103a第二绝缘层103b和第四金属层103c组成。如图2、3、4所示，所述的第一、第二、第三、第四金属层均具有电路结构，所述的功率半导体芯片通过此电路结构和功率半导体模块的正极端子121,交流输出端子122和负极端子123连接，如图5,10所示。所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制端子可以位于芯片的中心107b，也可以位于芯片的边角处205b。功率半导体芯片的热量通过第一衬底115传导至第一冷却板112进行散热，同时功率半导体芯片的热量也可以通过第二衬底103传导至第二冷却板101，进行散热。第一冷却底板112为凹形，倒扣安装于第一衬底上面，第二冷却板101水平布置在第二衬底下面，两块冷却板通过螺栓111固定在一起，形成本发明功率半导体模块100的外壳。外壳内的空间填充树脂120。

实施例一

本发明实施例的功率半导体模块是一种半桥形式的电路结构。

图1和图7所示的功率半导体模块100由功率半导体芯片106、107，衬底103、115冷却板101、112，绝缘层117，正极端子121，负极端子123，交流输出端子122，栅极引出端子118，以及发射极引出端子119组成。所述的功率半导体芯片包括全控型功率半导体芯片107和反并联连接的不控型功率半导体芯片106，所述的全控型功率半导体芯片107和反并联不控型功率半导体芯片106位于第二衬底103和第一衬底115之间。所述的两个衬底中，第一衬底由第一金属层115a，第一绝缘层115b和第二金属层115c组成；第二衬底由第三金属层103a，第二绝缘层103b和第四金属层103c组成。第一绝缘层115b和第二绝缘层103b由高导热的陶瓷材料制作。第一衬底中的第一金属层115a与绝缘层117相焊接，绝缘层117与第一冷却板112相焊接。第二衬底中的第四金属层103c与冷却板101相焊接。第一冷却板112制作成凹形，倒扣安装在绝缘层117上。第二冷却板101为平板形状，水平布置在第二衬底下面。第一冷却板112和第二冷却板101通过螺栓111固定在一起，形成所述的功率半导体模块的外壳。外壳内的空间填充树脂120。

图5和图6所示为多个功率半导体芯片并联结构。所述的功率半导体芯片中全控型的功率半导体芯片为IGBT，反并联的不控型功率半导体芯片为二极管芯片。一个IGBT芯片和一个反并联二极管芯片组成一个单元，通过多个单元的并联实现大功率。如图5和图6所示的半桥电路中的上桥臂中：IGBT芯片107和反并联的二极管芯片106组成第一单元，IGBT芯片127和反并联二极管芯片126组成第二单元，IGBT芯片137和反并联二极管芯片136组成第三单元，所述的三个单元并联连接，从而增大半导体模块的通流能力。同样的，所述半桥电路的下桥臂也由三组IGBT芯片和反并联二极管并联组成。

所述的IGBT芯片及其反并联二极管芯片通过无铅或者含铅软焊料焊接于两个衬底的金属层上。衬底的金属层可以为铜﹑铝或铜的合金材料。衬底的绝缘层可以为氧化铝，氮化铝或者氮化硅等高导热材料。绝缘层和金属层之间采用铅焊连接。

如图7所示，位于所述的全控型功率半导体IGBT芯片下表面的集电极107a和位于反并联二极管芯片下表面的阴极106a与第二衬底的第三金属层103a中的金属层103a1相焊接。所述的第三金属层103a由三部分组成：与功率半导体模块正极端子121相连接的金属层103a1，与功率半导体模块交流输出端子122相连接的金属层103a2，与功率半导体模块负极端子123相连接的金属层103a3。如图4所示，第三金属层103a被分割为三部分：金属层103a1根据功率半导体芯片的大小制作成凹凸形状并连接功率半导体模块的正极端子，使电流流入功率半导体芯片，金属层103a2与金属层103a1并排布置在第三金属层103a上，呈凹凸形状，金属层103a2与金属层103a1的凹凸形状相配合。金属层103a1的功率半导体芯片首先焊接到金属层115c1，然后金属层115c1通过焊料105焊接到金属层103a2，形成了半桥电路的上桥臂。位于金属层103a2的芯片首先通过焊料焊接到金属层115c2，然后利用焊料113焊接到金属层103a3，最后金属层103a3连接到功率半导体模块的负极端子123。所述的IGBT芯片上表面发射极107c和反并联二极管芯片的上表面阳极106b与第一衬底的第二金属层115c通过无铅或者含铅焊料焊接。

如图2、3所示，所述的IGBT芯片的栅极控制端子107b通过第一衬底中的金属化实心过孔118a连接到第一金属层115a，其中金属化实心过孔118a与全控型功率半导体芯片的栅极控制端子相连接。第一金属层115a将多个并联的IGBT芯片的栅极控制端子连接为一点，多个并联的IGBT芯片的栅极控制端子通过此连接点与功率半导体模块的栅极引出端子118相连接。同样如图1中所示，所述的IGBT芯片的发射极107c经发射极金属化过孔109进入第一金属层115a连接到功率半导体模块的发射极引出端子119。

所述的功率半导体模块中，在外壳内的空间填充树脂120，以实现功率半导体芯片之间的良好绝缘，同时也可以缓冲衬底和功率半导体芯片之间的压力。

本发明实施例一为IGBT芯片的栅极控制端子位于中间的情况，通过多芯片并联的形式增大了功率半导体模块的通流能力，同时通过对芯片的两个侧面进行冷却，降低了芯片的温度，实现了半导体模块高功率密度，对于在混合动力汽车或者纯电动汽车等要求高功率密度的应用场合具有重要的意义。

实施例二

图8至图11所示为本发明所述的功率半导体模块组成的第二种半桥结构的实施例。

图8所示的功率半导体模块200由功率半导体芯片205、206，衬底203、215冷却板201、212，正极端子221，负极端子223，交流输出端子222，栅极引出端子218，以及发射极引出端子219组成。所述的功率半导体芯片包括全控型功率半导体芯片205和反并联不控型功率半导体芯片206。所述的全控型功率半导体芯片205和反并联不控型功率半导体芯片206位于第一衬底215和第二衬底203之间。所述的两个衬底中，第一衬底由第一金属层215a第一绝缘层215b和第二金属层215c组成；第二衬底由第三金属层203a第二绝缘层203b和第四金属层203c组成。第一绝缘层215b和第二绝缘层203b由高导热的陶瓷材料制作。所述的第一衬底的第一金属层215a与第一冷却板212焊接，第二衬底的第四金属层203c与第二冷却板201焊接，其中第一冷却板为凹形，倒扣安装于第一衬底上，第二冷却板为平板状，水平布置在第二衬底下面，两块冷却板通过螺栓211固定，形成所述的功率半导体模块的外壳，并实现功率半导体器件的双面冷却。外壳内的空间填充树脂120。

所述的功率半导体芯片中全控型的功率半导体芯片为IGBT，反并联的不控型功率半导体芯片为二极管芯片。一个IGBT芯片和一个反并联二极管芯片组成一个单元，通过多个单元的并联实现大功率。如图9所示的功率半导体芯片中，所述的一个IGBT芯片205和一个反并联二极管芯片206组成第一单元，IGBT芯片305和一个反并联二极管芯片306组成第二单元；IGBT芯片405和反并联芯片406组成第三个单元，三个单元通过并联实现功率半导体模块大的通流能力。

所述的IGBT芯片的结构如图10所示，其中IGBT芯片的栅极控制端子205b位于功率半导体芯片205的边角处。

IGBT芯片205下表面的集电极和反并联二极管芯片206下表面的阴极通过无铅或者含铅软焊料焊接于第二衬底的第三金属层上。衬底的绝缘层可以为氧化铝，氮化铝或者氮化硅材料，衬底的金属层可以为铜或者铝的材料。

如图11所示，所述的IGBT芯片205上表面的发射极205c和所述的二极管芯片206上表面的阳极206b与第一衬底的第二金属层215c相焊接。其中第二金属层215c的电路由金属层215c1和金属层215c2以及栅极连接端组成。第二金属层215c的具体电路结构如图12所示，多个全控型功率半导体芯片如IGBT芯片的栅极控制端子和发射极直接焊接到所述的第一衬底215的第二金属层215c上，在第二金属层215c中将IGBT芯片的栅极控制端子连接成一点，通过此点实现了多个IGBT芯片控制端子的并联，并通过此连接点将多个全控型半导体芯片与功率半导体模块的栅极控制端218连接；第二金属层中的金属层215c1与全控型功率半导体芯片的发射极207相连接，并经过发射极引出端子219引出；金属层215c2通过焊料213与第三金属层203a连接，并通过第三金属层203a与功率半导体模块的负极端子223相连接。

凹形的第一冷却板212可以直接倒扣焊接于第一衬底的第一金属层215a上，也可以首先焊接到具有弹性的绝缘层上，之后再焊接到第一衬底的第一金属层上。

Claims (7)

1.一种双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，所述的功率半导体模块（100）由功率半导体芯片（106、107）、衬底（103、115）、冷却板（101、112）、正极端子（121）、负极端子（123）、交流输出端子（122）、栅极引出端子（118），以及发射极引出端子（119）组成；功率半导体模块至少包括两个功率半导体芯片（106、107）；所述的功率半导体芯片（106、107）位于第一衬底（115）和第二衬底（103）之间；第一衬底（115）和第二衬底（103）均包含三层结构：中间一层为电绝缘层，电绝缘层的上层和下层均为金属层；所述的金属层含有电路结构，所述的功率半导体芯片（106、107）通过所述的电路结构和所述的功率半导体模块的正极端子（121）、交流输出端子（122）和负极端子（123）连接；第一冷却板（112）为凹形，倒扣安装在位于第一衬底（115）的绝缘层（117）上；第二冷却板（101）为平板状，水平布置在第二衬底（103）下面；所述的功率半导体芯片（106、107）的热量通过第一衬底（115）传导至第一冷却板（112），并通过第二衬底（103）传导至第二冷却板（101）进行散热；第一冷却板（112）和第二冷却板（101）用螺栓（111）固联在一起，形成所述的功率半导体模块的外壳；在所述外壳内的空间填充有树脂（120）。

2.根据权利要求1所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，所述的功率半导体芯片包括全控型功率半导体芯片和不控型功率半导体芯片。

3.根据权利要求2所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制端子位于芯片的中心或芯片的边角处。

4.根据权利要求2所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，一个所述的全控型功率半导体芯片和一个反并联的不控型功率半导体芯片组成一个单元，多个单元并联实现更大的通流能力。

5.根据权利要求4所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，多个并联的所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制极端子（107b）通过所述第一衬底中的金属化实心过孔（118a）连接至第一金属层（115a），所述的第一金属层（115a）将多个全控型半导体芯片栅极控制端子连接成一点，并通过此连接点将多个全控型半导体芯片栅极控制端子与所述功率半导体模块的栅极引出端子（118）相连接。

6.根据权利要求4所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，多个位于所述的全控型功率半导体芯片边角处的栅极控制端子焊接于所述的第一衬底（215）的第二金属层（215c）上，并通过第二金属层（215c）将多个全控型功率半导体芯片的栅极控制端子连接成一点，通过此连接点将多个全控型半导体芯片栅极控制端子与功率半导体模块的栅极引出端子相连接。

7.根据权利要求1或6所述的双面冷却的功率半导体模块，其特征在于，所述的第一冷却板（112）焊接于第一衬底（215）的第一金属层（215c）上。

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