CN111540730B - 基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，包括功率基板、导电金属夹扣、功率端子、驱动端子以及电子电子功率半导体芯片，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。若干串联或并联的电力电子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；功率回路中使用导电金属夹扣替代传统的铝键合线完成功率模块中功率回路的电气连接；导电金属夹扣的布局设计使得功率模块中并联支路的寄生电感分布均匀度得到极大提升，达到并联芯片均流的效果；相邻芯片的间距相同保证散热条件几乎相同，达到芯片均温的效果；导电金属夹扣接头的形状设计降低了工作产生的热‑机械应力，提升了功率模块的可靠性；导电金属夹扣的热量传递能力使功率模块实现双面散热结构。

Description

基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构。

背景技术

功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块，比起由分立的电力电子功率器件组成的电力电子变流器，功率模块具有高可靠性和高集成性的特点，在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面有很高的优越性。

近年来，随着电力电子器件的不断发展，诸如石油钻探、电动汽车、舰载系统、航空航天等重要领域的应用环境的要求不断提高、节约能源口号的提出等的影响，功率模块正在向小型化、高功率密度、高可靠性、低损耗的方向发展。特别是新一代宽禁带功率半导体(碳化硅、氮化镓等)器件正在各个工业领域中逐渐取代传统的硅器件，使得使用宽禁带功率半导体的功率模块能够在更高的环境温度下工作，这就意味功率模块能够更加容易地在石油钻探、电动汽车、航空航天等极端环境下工作，并且能够减少散热系统成本，甚至改变功率模块的散热方式，由主动散热(强迫风冷、液冷)转换为被动散热(自然散热)；更小的开关损耗能够在更高频下工作，减小无源部件特别是滤波部分的体积。但是现有的封装结构却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：

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，必须要多个并联以达到更大的电流等级，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；

2、传统功率模块在电气连接上大多以铝键合线作为互连方式，其特点是单面传送热量，这种散热方式称为单面散热，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恶劣环境下使用；铝键合线在高温应用下容易在键合点处发生老化甚至脱落，导致功率模块失效，不利于功率模块在极端环境中的应用；由于铝键合线的通流面积较小，一根键合线通过的电流有限，在需要通过大电流的功率模块中就需要使用多达二十根以上的键合线，这既使功率模块制作工艺复杂化，也因为空间利用率不足而增大了功率模块的体积；

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。

一些公司使用铜片替代传统的键合铝线来完成功率半导体的互连，但连接部位的形状没有经过特别设计，从而在工作状态下在铜片与焊层上产生较大的应力，降低功率模块的使用寿命；另外，这种方法目前只被应用于单功率芯片的连接，无法满足高功率大电流的应用场合。

综上所述，宽禁带功率半导体器件的优良特性的发挥十分受限于传统的功率模块的封装结构，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，将多个并联的宽禁带半导体功率芯片集成在一个功率模块中，从而充分发挥宽禁带器件的优良特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，对现有的金属片互连技术进行改进和延伸，使用金属夹扣互连技术实现多芯片、大电流的功率模块。

本发明采用以下技术方案：

基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，包括功率基板，功率基板上设置有功率端子、驱动端子以及若干电力电子功率半导体芯片，电力电子功率半导体芯片与功率基板的功率回路之间通过导电金属夹扣电气连接，导电金属夹扣与电力电子功率半导体芯片的连接处开有用于降低功率模块工作时在粘接层产生热-机械应力的槽；电力电子功率半导体芯片采用宽禁带功率半导体器件，若干电力电子功率半导体芯片包括六个芯片，三个芯片并联构成半桥结构的上下桥臂。

具体的，功率基板从上至下依次包括上表面导电金属基板、下表面导电金属基板与绝缘介质基板，上表面导电金属基板包括依次平行设置的第一上表面导电金属基板、第二上表面导电金属基板、第三上表面导电金属基板、第四上表面导电金属基板、第五上表面导电金属基板、第六上表面导电金属基板和第七上表面导电金属基板，第一上表面导电金属基板、第二上表面导电金属基板、第六上表面导电金属基板和第七上表面导电金属基板的宽度小于第三上表面导电金属基板、第四上表面导电金属基板和第五上表面导电金属基板的宽度。

进一步的，第一上表面导电金属基板上设置有使用开尔文连接方式连接的上桥臂源级驱动端子，第二上表面导电金属基板上设置有上桥臂栅极驱动端子，第六上表面导电金属基板上设置有下桥臂栅极驱动端子，第七上表面导电金属基板上设置有使用开尔文连接方式连接的下桥臂源级驱动端子；第三上表面导电金属基板上设置有直流功率端子正极，第四上表面导电金属基板上设置有直流功率端子负极，第五上表面导电金属基板上设置有交流功率端子，直流功率端子正极和直流功率端子负极之间分别通过第一解耦电容和第二解耦电容连接。

更进一步的，电力电子功率半导体芯片包括若干设置于第三上表面导电金属基板上的第一上桥臂半导体芯片、第二上桥臂半导体芯片、第三上桥臂半导体芯片和若干设置于第五上表面导电金属基板的第一下桥臂半导体芯片、第二下桥臂半导体芯片、第三下桥臂半导体芯片，两组半导体芯片数量相同，同一组相邻的半导体芯片间距相同。

再进一步的，第一上桥臂半导体芯片的电流流通路径从直流功率端子正极出发，经过第一流通路径后，流经第一上桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第二流通路径，经由第三流通路径流向交流功率端子；第二上桥臂半导体芯片的电流流通路径从直流功率端子正极出发，经过第一流通路径与第四流通路径后，流经第二上桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第五流通路径，经由第六流通路径流向交流功率端子；第三上桥臂半导体芯片的电流流通路径从直流功率端子正极出发，经过第一流通路径、第四流通路径与第七流通路径后，流经第三上桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第八流通路径，经由第九流通路径流向交流功率端子。

更进一步的，第一下桥臂半导体芯片的电流流通路径从交流功率端子出发，经过第十流通路径后，流经第一下桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第十一流通路径，经由第十二流通路径流向直流功率端子负极；第二下桥臂半导体芯片的电流流通路径从交流功率端子出发，经过第十流通路径与第十三流通路径后，流经第二下桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第十四流通路径，经由第十五流通路径、第十二流通路径流向直流功率端子负极；第三下桥臂半导体芯片的电流流通路径从交流功率端子出发，经过第十流通路径、第十三流通路径与第十六流通路径后，流经第三下桥臂半导体芯片与导电金属夹扣上的第十七流通路径，经由第十八流通路径、第十五流通路径、第十二流通路径流向直流功率端子负极。

进一步的，导电金属夹扣包括芯片接头夹扣和金属接头夹扣，芯片接头夹扣与上桥臂半导体芯片上表面连接；金属接头夹扣与上表面导电金属基板连接；芯片接头夹扣和金属接头夹扣之间通过接头互连夹扣连接；相邻导电金属夹扣之间通过并联夹扣互连，并联夹扣与接头互连夹扣设置在同一高度，将上桥臂与下桥臂上三个并联的半导体芯片所使用的导电金属夹扣连接成一个整体。

更进一步的，芯片接头夹扣包括拱形结构，金属接头夹扣和芯片接头夹与导电金属基板接触的部位开有凹槽，接头互连夹扣所在的平面根据电压等级以及功率模块中绝缘材料承受电压的能力高于功率基板上表面的高度。

再进一步的，芯片接头夹扣的两侧设置有高出接头互连夹扣所在平面的第一施压平台与第二施压平台，在金属接头夹扣的两侧设置有第三施压平台与第四施压平台。

具体的，功率基板的下表面导电金属基板下方设置下方散热器组成单面散热结构；或功率基板的上表面导电金属基板上设置有上方散热器，下表面导电金属基板下方设置有下方散热器组成双面散热结构，上表面导电金属基板与上方散热器之间设置有绝缘介质基板。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，使用导电金属夹扣替代传统的键合线，完成功率模块中功率回路部分电路的互连，导电金属夹扣接头处根据芯片的电极形状进行设计，并通过开槽降低接头处的热-机械应力，极大地降低了电气互连失效的可能性，提高了功率模块在极端环境下工作的可靠性，封装结构不仅适用于使用反并联功率二极管的情况，也适用于不使用反并联二极管的情况，从而减小了装置的体积，降低了成本；得益于模块的均温、均流和充分发挥宽禁带功率半导体器件的优良特性，可以使得功率模块可靠地工作在极端环境或者是传统功率模块无法工作的环境条件下。

进一步的，根据通过导电金属基板的电流等级对金属基板的宽度进行设计，使功率回路的导电金属基板的宽度大于驱动回路的导电金属基板，在满足使用需求的条件下减小模块体积；功率基板上表面所有导电金属基板布局平行放置，在长边方向上互不干扰，极易于根据电流等级与需求的功率半导体芯片数目对功率模块进行扩展；

进一步的，本发明中通过对导电金属基板中功率金属板与功率端子位置的设计，使得在任意一种工作状态下，工作中的两个功率金属板的电流流向相反，这样回路互感可以产生抵消寄生电感的作用，极大地减小了换流回路的寄生电感，使得功率模块在工作时具有较小的电压过冲；同一桥臂上所有并联的功率芯片具有相同的排布方向，可以直接采用栅极回路(控制回路)的栅极引线和源极引线或者是门极回路(控制回路)的门极引线和发射极引线实现开尔文连接，从而消除共源极电感/共射极电感，达到可靠驱动、多芯片均流的效果；所有芯片具有相同的间距，配合导电金属夹扣设计均流，令各芯片具有基本相同的功率和散热环境，达到较好的并联芯片均温效果。

进一步的，功率模块的功率端子与控制端子分开引出，且流入与流出半导体芯片的控制回路电流与功率回路电流的方向垂直，这样可以消除功率回路电压、电流变化对控制回路的不良影响；功率回路的直流引出端子(直流功率端子正极和直流功率端子负极)在空间上排布紧密，可以容易地设计叠层母排和安装解耦电容，从而消除引出端子带来的换流回路的寄生电感。

进一步的，本发明使用并联夹扣将并联的芯片引出的金属夹扣进行互连，通过改变导电金属夹扣的宽度和路径、对导电金属夹扣开槽等手段改变寄生电感，使并联回路支路的寄生电感分布更加均匀，完成对多芯片并联的均流；通过对并联芯片的互连，对上桥臂与下桥臂分别使用一个整体的导电金属夹扣，通过对导电金属基板与导电金属夹扣形状配合设计，可以使上下桥臂的导电金属夹扣形成交错布置的结构，仅需要进行细节上的修改对上下桥臂的寄生参数分别进行平衡，这样做可以使功率模块的上桥臂与下桥臂的寄生参数具有很好的一致性，而且可以提高空间利用率、缩小功率模块体积。

进一步的，本发明使用的导电金属夹扣比起传统的铝键合线具有更大的横截面积，可以降低回路的寄生电阻与寄生电感，具有更优异的通流能力，在通过相同的电流时，导电金属夹扣比起铝键合线具有更低的工作温度；金属优异的导热能力使得导电金属夹扣具有一定的散热能力，可以将金属夹扣的上表面作为一个散热平面，实现功率模块的双面散热结构。

综上所述，本发明使用基于导电金属夹扣互连的多芯片功率模块，同时实现了宽禁带半导体功率模块内部并联多芯片的均流、均温与可靠性提升，减小了功率模块的体积，发挥了宽禁带半导体芯片的优异特性，使宽禁带半导体可以应用在极端的环境下。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明功率基板的结构与导电金属基板的布局示意图；

图3为本发明宽禁带功率芯片、功率端子与驱动端子的位置示意图；

图4为本发明导电金属夹扣的结构示意图；

图5为本发明功率模块的左视图；

图6为本发明功率模块的右视图；

图7为本发明上桥臂并联芯片导通的电流流通情况示意图；

图8位本发明下桥臂并联芯片导通的电流流通情况示意图；

图9为本发明直流端子加耦合电容的情况示意图。

图10为本发明双面散热实施方式的示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，适合基于硅材料制作而成的电力电子器件或者宽禁带功率器件的封装，尤其适用于多芯片、大电流的应用工况，使功率模块中的并联功率芯片具有均流与均温的效果，满足高温、高频、低损耗的使用要求，并提高功率模块的可靠性。

请参阅图1、图2和图3，本发明一种基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，包括功率基板100、功率端子、驱动端子、导电金属夹扣以及电子电子功率半导体芯片。

功率端子、驱动端子以及若干电力电子功率半导体芯片设置在功率基板100的上表面，电力电子功率半导体芯片与导电金属基板的功率回路之间通过导电金属夹扣200电气连接，导电金属夹扣200的粘接头处开有用于降低功率模块工作时在粘接层产生热-机械应力的槽；电力电子功率半导体芯片采用宽禁带功率半导体器件，若干电力电子功率半导体芯片构成半桥结构的上下桥臂。

请参阅图2，功率基板100从上至下依次包括上表面导电金属基板、下表面导电金属基板108与绝缘介质基板109，绝缘介质基板109由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成；上表面导电金属基板和下表面导电金属基板108由铜或铝制成。

上表面导电金属基板包括依次设置的第一上表面导电金属基板101、第二上表面导电金属基板102、第三上表面导电金属基板103、第四上表面导电金属基板104、第五上表面导电金属基板105、第六上表面导电金属基板106和第七上表面导电金属基板107。

请参阅图3，功率端子包括设置于第三上表面导电金属基板103上的直流功率端子正极121、设置于第四上表面导电金属基板104上的直流功率端子负极122以及设置于第五上表面导电金属基板105上的交流功率端子123，直流功率端子正极121和直流功率端子负极122之间分别通过第一解耦电容161和第二解耦电容162连接；

驱动端子包括设置于第一上表面导电金属基板101上且使用开尔文连接方式的上桥臂源级驱动端子131、设置于第二上表面导电金属基板102上的上桥臂栅极驱动端子132、设置于第六上表面导电金属基板106上的下桥臂栅极驱动端子133以及设置于第七上表面导电金属基板107上且使用开尔文连接方式的下桥臂源级驱动端子134；

电力电子功率半导体芯片包括若干设置于第三上表面导电金属基板103上的第一上桥臂半导体芯片111、第二上桥臂半导体芯片112、第三上桥臂半导体芯片113和若干设置于第五上表面导电金属基板105的第一下桥臂半导体芯片114、第二下桥臂半导体芯片115、第三下桥臂半导体芯片116，两组半导体芯片数量相同，同一组相邻的半导体芯片间距相同。

请参阅图4，导电金属夹扣与电力电子功率半导体芯片一一对应设置，导电金属夹扣采用单质铜、单质铝、钨铜合金材料或锌铜合金材料制成，包括芯片接头夹扣、金属接头夹扣、接头互连夹扣、并联夹扣。以一个导电金属夹扣为例说明导电金属夹扣的结构，具体为：

与第一上桥臂半导体芯片111连接的第一导电金属夹扣210包括芯片接头夹扣211、金属接头夹扣213与接头互连夹扣212；

芯片接头夹扣211完成第一导电金属夹扣210与第一上桥臂半导体芯片111上表面的连接；

金属接头夹扣213完成第一导电金属夹扣210与第五上表面导电金属基板105的连接；

接头互连夹扣212完成对应芯片接头夹扣211与金属接头夹扣213的连接。

此外，并联夹扣201完成相邻的第一导电金属夹扣210与第二导电金属夹扣220之间的互连。

导电金属夹扣由单质铜、单质铝、钨铜合金材料或锌铜合金材料制成。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在附图中示出了本发明的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

实施例

请参阅图1、图2和图3，本实施例的封装结构主要是由6个电力电子功率半导体芯片、3个功率基板、3个功率端子、4个驱动端子以及2个导电金属夹扣组成；

6个电力电子功率半导体芯片具体为半导体芯片111、半导体芯片112、半导体芯片113、半导体芯片114、半导体芯片115、半导体芯片116；

3个功率基板具体为下表面导电金属基板108、绝缘介质基板109和上表面导电金属基板；

3个功率端子具体为直流功率端子正极121、直流功率端子负极122以及交流功率端子123；

4个驱动端子具体为使用开尔文连接方式的上桥臂源级驱动端子131、上桥臂栅极驱动端子132、下桥臂栅极驱动端子133、使用开尔文连接方式的下桥臂源级驱动端子134；

2个导电金属夹扣具体为上桥臂导电金属夹扣和下桥臂导电金属夹扣。上桥臂金属夹扣具体为第一导电金属夹扣210、第二导电金属夹扣220、第三导电金属夹扣230；下桥臂金属夹扣具体为第四导电金属夹扣240、第五导电金属夹扣250、第六导电金属夹扣260。

本实施例包括了两组三个并联共6个的电力电子功率半导体芯片，构成了经典半桥结构的上下桥臂，实际工作中可以根据需求增加或减少并联芯片数来改变通流能力或者增加减少串联芯片数来改变耐压能力，也可以根据需求增加反并联二极管芯片，需要特别指出的是，本发明所提及到的电力电子功率半导体芯片包括但不仅限于宽禁带功率半导体器件；导电金属夹扣的作用是电气连接、热量传递，其材质可以是单质铜、单质铝等金属，也可以是钨铜、锌铜等合金材料，根据使用环境和可靠性要求选择不同的材质；功率基板通常为包括但不限于直接键合铜陶瓷基板、活性金属钎焊陶瓷覆铜基板等；功率基板的上表面导电金属基板是导电金属，多数为铜或铝，用来执行电气连接与散热功能，绝缘介质基板的材质一般是氧化铝、氮化铝、氮化硅等陶瓷物质或者其他的绝缘介质，执行绝缘与导热的功能，下表面导电金属基板一般是铜或铝等导电金属，执行连接散热器、提高散热效率的功能。

导电金属夹扣结构

请参阅图4，导电金属夹扣的结构是本发明中封装结构的核心技术，功率回路中电力电子功率半导体芯片与导电金属基板的连接由导电金属夹扣完成，用于替代传统功率模块封装技术中的铝线键合技术。导电金属夹扣的宽度设计原则是为用于在驱动回路使用的开尔文源级留出足够的空间后，应当使金属夹扣的宽度尽量大，这样的优势有三点：第一是提高了通流能力，在承受大电流时不会出现过高的温度；第二是降低了换流回路的寄生电感与电阻，提高功率模块的动态性能；第三是提高了金属夹扣的热量传递能力。

以第一导电金属夹扣210为例说明导电金属夹扣的结构，第一导电金属夹扣210可以分为芯片接头夹扣211、金属接头夹扣213与接头互连夹扣212。

芯片接头夹扣211负责连接第一上桥臂半导体芯片111的上表面源级电极与第一导电金属夹扣210，结构根据所使用的半导体芯片的上表面电极形状进行设计，如果半导体芯片的电极分为多块，可以使用如图5所示的拱形结构215跨过多块电极之间的空隙，这样可以避免在电极间的空隙处产生过大的热-机械应力；另外，通过在导电金属夹扣与半导体芯片接触的部位开槽，可以降低功率模块使用中在粘接层产生的热-机械应力，增加功率模块的寿命和可靠性；

金属接头夹扣213负责连接第五上表面导电金属基板105与第一导电金属夹扣210，无需使用拱形结构，仅在与导电金属基板接触的部位开槽；

接头互连夹扣212负责连接芯片接头夹扣211与金属接头夹扣213，接头互连夹扣212通过改变路径和宽度、开槽等方式改变寄生电感和寄生电阻参数，通过对各导电金属夹扣分别修改可以对电路的寄生电感分布进行规划，有利于并联芯片之间的均流；出于绝缘考虑，接头互连夹扣212所在的平面需要根据电压等级以及功率模块中绝缘材料承受电压的能力高出功率基板上表面一定高度。

另外，如图5和图6所示，在芯片接头夹扣211两侧有高出接头互连夹扣212所在平面的第一施压平台214与第二施压平台216，在金属接头夹扣213两侧也有相同的第三施压平台217与第四施压平台218，在一些需要对粘接点施加一定的压力的粘接工艺下，如纳米银烧结，施压平台可以使施加的压力可靠地传递至粘接面，在无需施加压力的情况下也可以取消这一结构。

除了单独的导电金属夹扣外，导电金属夹扣之间还设置有并联夹扣201，用于连接相邻并联芯片引出的导电金属夹扣，如并联夹扣201负责连接第一导电金属夹扣210与第二导电金属夹扣220，并联夹扣201与接头互连夹扣212设置在同一高度，将上桥臂与下桥臂上三个并联的半导体芯片所使用的导电金属夹扣连接成一个整体，通过对这个额外的电流通路的参数进行设计，可以调整并联支路的寄生电感，极大地改善并联的半导体芯片的均流状况；由于并联夹扣上通过的电流一般较小，其宽度可以对应地缩小。

功率回路电流流通路径

在本实施例中有三个并联芯片，图7和图8分别显示了上桥臂和下桥臂的并联芯片的电流流通路径。图7显示了上桥臂导通时的并联芯片的电流流通路径，三个并联支路的电流流通路径如下：

第一上桥臂半导体芯片111的电流流通路径从直流功率端子正极121出发，经过第一流通路径301后，流经第一上桥臂半导体芯片111与导电金属夹扣上的第二流通路径321，经由第三流通路径311流向交流功率端子123；

第二上桥臂半导体芯片112的电流流通路径从直流功率端子正极121出发，经过第一流通路径301与第四流通路径302后，流经第二上桥臂半导体芯片112与导电金属夹扣上的第五流通路径322，经由第六流通路径312流向交流功率端子123；

第三上桥臂半导体芯片113的电流流通路径从直流功率端子正极121出发，经过第一流通路径301、第四流通路径302与第七流通路径303后，流经第三上桥臂半导体芯片113与导电金属夹扣上的第八流通路径323，经由第九流通路径313流向交流功率端子123。

图8显示了下桥臂导通时的并联芯片电流流通路径，下桥臂与上桥臂的流通路径相似，三个并联支路的电流流通路径如下：

第一下桥臂半导体芯片114的电流流通路径从交流功率端子123出发，经过第十流通路径304后，流经第一下桥臂半导体芯片114与导电金属夹扣上的第十一流通路径324，经由第十二流通路径314流向直流功率端子负极122；

第二下桥臂半导体芯片115的电流流通路径从交流功率端子123出发，经过第十流通路径304与第十三流通路径305后，流经第二下桥臂半导体芯片115与导电金属夹扣上的第十四流通路径325，经由第十五流通路径315、第十二流通路径314流向直流功率端子负极122；

第三下桥臂半导体芯片116的电流流通路径从交流功率端子123出发，经过第十流通路径304、第十三流通路径305与第十六流通路径306后，流经第三下桥臂半导体芯片116与导电金属夹扣上的第十七流通路径326，经由第十八流通路径316、第十五流通路径315、第十二流通路径314流向直流功率端子负极122。

在每个半导体芯片的流通路径之外，还有少部分电流通过并联夹扣上的第十九流通路径331、第二十流通路径332、第二十一流通路径333、第二十二流通路径334，这部分电流的流向根据功率模块中各部分寄生电感的分布情况变化会发生改变，并且在开关过程中电流的大小和方向均可能改变，图7和图8中仅给出一种可能的电流流向。

驱动回路

图3显示了带有驱动回路的完整的功率模块的整体布局情况，上桥臂的驱动回路区域包括上桥臂源级驱动端子131、上桥臂栅极驱动端子132，第一上表面导电金属基板101、第二上表面导电金属基板102和第一驱动回路键合引线141、第二驱动回路键合引线142、第三驱动回路键合引线143、第四驱动回路键合引线151、第五驱动回路键合引线152、第六驱动回路键合引线153；

下桥臂的驱动回路区域包括下桥臂栅极驱动端子133、下桥臂源级驱动端子134，第六上表面导电金属基板106、第七上表面导电金属基板107和第八驱动回路键合引线144、第九驱动回路键合引线145、第十驱动回路键合引线146、第十一驱动回路键合引线154、第十二八驱动回路键合引线155、第十三驱动回路键合引线156。

以第一上桥臂半导体芯片111的驱动回路为例对驱动回路进行说明，第一驱动回路键合引线141将第一上桥臂半导体芯片111的栅极电极与第二上表面导电金属基板102连接，并连接到上桥臂栅极驱动端子132上；第四驱动回路键合引线151将第一上桥臂半导体芯片111在导电金属夹扣占用以外的源级电极与第一上表面导电金属基板101连接，并连接到上桥臂源级驱动端子131上。

这种布局结构实现了使用栅极引线和源级引线的开尔文连接，并且键合引线的方向与功率回路的电流方向是垂直的关系，可以消除功率回路电压和电流变化对驱动回路的负面影响，从而提高了多芯片均流的效果和功率模块在不同工况下的运行可靠性。

功率端子

图9显示了直流功率端子正极121、直流功率端子负极122和交流功率端子123的分布情况。这种紧凑的排列方式便于设计叠层母排来减少功率端子引入的寄生电感对功率模块的影响，也会容易地集成第一解耦电容161、第二解耦电容162，从而进一步消除功率端子引入的寄生电感对功率模块的影响以及减小功率模块的高频电磁干扰对其他部件的影响。

功率模块的散热方式

由于金属的高热导率，金属夹扣也可以作为一个散热表面，因此本发明封装结构可以实现单面散热或双面散热两种散热方式。

单面散热方式中，散热器安装在功率模块下表面，与下表面导电金属基板108贴合；双面散热方式中，下方散热器164与下表面导电金属基板108贴合，上方散热器163与上方金属夹扣上表面贴合，上方散热器需使用表面为绝缘材质的散热器，也可如图10所示，在上方散热器163与金属夹扣之间插入一层氮化铝、氮化硅、氧化铝等制成的绝缘介质基板162。使用的散热方式包括但不限于自然散热、强迫风冷散热、强迫液冷散热，使用强迫液冷散热可以使功率模块在极端的环境下获得更好的散热性能。

本发明的原理：

本发明实现了一个半桥结构，这种结构(可以由一个或者多个结构串并联)可以构成但不限于三相逆变全桥电路、同步整流器、单相逆变全桥等直流-交流、直流-直流、交流-交流和交流-直流变流电路。本发明的封装结构中，传统的铝键合线被导电金属夹扣取代，导电金属夹扣的粘接头经过开槽设计，降低了功率模块工作时在粘接层产生的热-机械应力，由于金属的高电导率与热导率，导电金属夹扣具有更强的通流能力，并且可以实现双面散热结构。本发明提出的封装结构具有较低且易于调整的功率回路寄生电感，并且针对并联芯片大电流的应用场合，具有并联支路的静态及动态均流功能，因此能够获得多芯片并联均流和较低的开关电压过冲的特性。

综上所述，本发明提出的封装结构能够在非常大的电流等级、非常高的开关频率下可靠地工作，也可以在芯片结温达到200℃～350℃下工作，从而充分发挥了宽禁带功率半导体的优越性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，其特征在于，包括功率基板（100），功率基板（100）上设置有功率端子、驱动端子以及若干电力电子功率半导体芯片，电力电子功率半导体芯片与功率基板（100）的功率回路之间通过导电金属夹扣（200）电气连接，导电金属夹扣（200）与电力电子功率半导体芯片的连接处开有用于降低功率模块工作时在粘接层产生热-机械应力的槽；电力电子功率半导体芯片采用宽禁带功率半导体器件，若干电力电子功率半导体芯片包括六个芯片，三个芯片并联构成半桥结构的上下桥臂；

功率基板（100）从上至下依次包括上表面导电金属基板、下表面导电金属基板（108）与绝缘介质基板（109），上表面导电金属基板包括依次平行设置的第一上表面导电金属基板（101）、第二上表面导电金属基板（102）、第三上表面导电金属基板（103）、第四上表面导电金属基板（104）、第五上表面导电金属基板（105）、第六上表面导电金属基板（106）和第七上表面导电金属基板（107），第一上表面导电金属基板（101）、第二上表面导电金属基板（102）、第六上表面导电金属基板（106）和第七上表面导电金属基板（107）的宽度小于第三上表面导电金属基板（103）、第四上表面导电金属基板（104）和第五上表面导电金属基板（105）的宽度，第一上表面导电金属基板（101）上设置有使用开尔文连接方式连接的上桥臂源级驱动端子（131），第二上表面导电金属基板（102）上设置有上桥臂栅极驱动端子（132），第六上表面导电金属基板（106）上设置有下桥臂栅极驱动端子（133），第七上表面导电金属基板（107）上设置有使用开尔文连接方式连接的下桥臂源级驱动端子（134）；第三上表面导电金属基板（103）上设置有直流功率端子正极（121），第四上表面导电金属基板（104）上设置有直流功率端子负极（122），第五上表面导电金属基板（105）上设置有交流功率端子（123），直流功率端子正极（121）和直流功率端子负极（122）之间分别通过第一解耦电容（161）和第二解耦电容（162）连接，电力电子功率半导体芯片包括若干设置于第三上表面导电金属基板（103）上的第一上桥臂半导体芯片（111）、第二上桥臂半导体芯片（112）、第三上桥臂半导体芯片（113）和若干设置于第五上表面导电金属基板（105）的第一下桥臂半导体芯片（114）、第二下桥臂半导体芯片（115）、第三下桥臂半导体芯片（116），两组半导体芯片数量相同，同一组相邻的半导体芯片间距相同；

第一上桥臂半导体芯片（111）的电流流通路径从直流功率端子正极（121）出发，经过第一流通路径（301）后，流经第一上桥臂半导体芯片（111）与导电金属夹扣上的第二流通路径（321），经由第三流通路径（311）流向交流功率端子（123）；第二上桥臂半导体芯片（112）的电流流通路径从直流功率端子正极（121）出发，经过第一流通路径（301）与第四流通路径（302）后，流经第二上桥臂半导体芯片（112）与导电金属夹扣上的第五流通路径（322），经由第六流通路径（312）流向交流功率端子（123）；第三上桥臂半导体芯片（113）的电流流通路径从直流功率端子正极（121）出发，经过第一流通路径（301）、第四流通路径（302）与第七流通路径（303）后，流经第三上桥臂半导体芯片（113）与导电金属夹扣上的第八流通路径（323），经由第九流通路径（313）流向交流功率端子（123）；

第一下桥臂半导体芯片（114）的电流流通路径从交流功率端子（123）出发，经过第十流通路径（304）后，流经第一下桥臂半导体芯片（114）与导电金属夹扣上的第十一流通路径（324），经由第十二流通路径（314）流向直流功率端子负极（122）；第二下桥臂半导体芯片（115）的电流流通路径从交流功率端子（123）出发，经过第十流通路径（304）与第十三流通路径（305）后，流经第二下桥臂半导体芯片（115）与导电金属夹扣上的第十四流通路径（325），经由第十五流通路径（315）、第十二流通路径（314）流向直流功率端子负极（122）；第三下桥臂半导体芯片（116）的电流流通路径从交流功率端子（123）出发，经过第十流通路径（304）、第十三流通路径（305）与第十六流通路径（306）后，流经第三下桥臂半导体芯片（116）与导电金属夹扣上的第十七流通路径（326），经由第十八流通路径（316）、第十五流通路径（315）、第十二流通路径（314）流向直流功率端子负极（122）；

第一流通路径（301）为从直流功率端子正极（121）到第一上桥臂半导体芯片（111），第二流通路径（321）为从第一上桥臂半导体芯片（111）到第一下桥臂半导体芯片（114），第三流通路径（311）为从第一下桥臂半导体芯片（114）到交流功率端子（123）；

第四流通路径（302）为从第一上桥臂半导体芯片（111）到第二上桥臂半导体芯片（112），第五流通路径（322）为从第二上桥臂半导体芯片（112）到第二下桥臂半导体芯片（115），第六流通路径（312）为从第二下桥臂半导体芯片（115）到交流功率端子（123）；

第七流通路径（303）为从第二上桥臂半导体芯片（112）到第三上桥臂半导体芯片（113），第八流通路径（323）为从第三上桥臂半导体芯片（113）到第三下桥臂半导体芯片（116），第九流通路径（313）为从第三下桥臂半导体芯片（116）到交流功率端子（123）；

第十流通路径（304）为从交流功率端子（123）到第一下桥臂半导体芯片（114），第十一流通路径（324）为从第一下桥臂半导体芯片（114）到第四上表面导电金属基板（104），第十二流通路径（314）为从第四上表面导电金属基板（ 104）到直流功率端子负极（122）；

第十三流通路径（305）为从第一下桥臂半导体芯片（114）到第二下桥臂半导体芯片（115），第十四流通路径（325）为从第二下桥臂半导体芯片（115）到第四上表面导电金属基板（104），第十五流通路径（315）为从第四上表面导电金属基板（104）到直流功率端子负极（122）；

第十六流通路径（306）为从第二下桥臂半导体芯片（ 115）到第三下桥臂半导体芯片（116），第十七流通路径（326）为从第三下桥臂半导体芯片（116）到第四上表面导电金属基板（104），第十八流通路径（316）为从第四上表面导电金属基板（104）到直流功率端子负极（122）；

导电金属夹扣包括芯片接头夹扣和金属接头夹扣，芯片接头夹扣与上桥臂半导体芯片上表面连接；金属接头夹扣与上表面导电金属基板连接；芯片接头夹扣和金属接头夹扣之间通过接头互连夹扣连接；相邻导电金属夹扣之间通过并联夹扣互连，并联夹扣与接头互连夹扣设置在同一高度，将上桥臂与下桥臂上三个并联的半导体芯片所使用的导电金属夹扣连接成一个整体，芯片接头夹扣包括拱形结构（215），金属接头夹扣和芯片接头夹与导电金属基板接触的部位开有凹槽，接头互连夹扣所在的平面根据电压等级以及功率模块中绝缘材料承受电压的能力高于功率基板上表面的高度。

2.根据权利要求1所述的基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，其特征在于，芯片接头夹扣的两侧设置有高出接头互连夹扣所在平面的第一施压平台（214）与第二施压平台（216），在金属接头夹扣的两侧设置有第三施压平台（217）与第四施压平台（218）。

3.根据权利要求1所述的基于导电金属夹扣互连的多芯片宽禁带功率模块封装结构，其特征在于，功率基板（100）的下表面导电金属基板（108）下方设置下方散热器（164）组成单面散热结构；或功率基板（100）的上表面导电金属基板上设置有上方散热器（163），下表面导电金属基板（108）下方设置有下方散热器（164）组成双面散热结构，上表面导电金属基板与上方散热器（163）之间设置有绝缘介质基板。

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