CN113035787A - 一种逆导型功率半导体模块封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种逆导型功率半导体模块封装结构及其封装方法，该封装结构包括基板，所述基板上设置有多个功能单元，所述功能单元包括相对设置的第一衬板与第二衬板，所述第一衬板上设置有第一金属层，所述第二衬板上设置有第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层上均设置有芯片模块，所述芯片模块由轴对称分布的由多个逆导型芯片组成，所述逆导型芯片的栅极区域位于其边角处且所述多个逆导型芯片的栅极区关于芯片模块的中心呈中心对称；本发明中采用对称且栅极中心对称布局的逆导型芯片，可以极大地减小模块中的电感。本发明的封装方法用于制作以上封装结构。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体模块封装结构技术领域，特别地涉及一种逆导型功率半导体模块封装结构及其封装方法。
背景技术
目前常用的硅基功率半导体模块中通常有绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)芯片与快恢复二极管(Fast Recovery Diode，简称FRD)匹配，或碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxi de-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称Mosfet)与碳化硅(SiC)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，简称SBD)匹配的模块结构。由于IGBT和F RD或Mosfet与SBD是分立元件，都在陶瓷衬板上占用有效导电面积，半导体芯片热阻不易降低，功率芯片的控制回路不易实现对称结构，进而限制了用户对更高功率密度、更紧凑的模块的需求。
近年随着逆导型半导体芯片技术的发展，可在同一个半导体功率芯片中将I GBT与FRD或SiC Mosfet与SiC SBD嵌入在一起实现开关功能。由于逆导芯片有其独特结构，即在不同开关周期内既可作为IGBT也可作为FRD，或者做Si C Mosfet使用以及SiC SBD使用，这个特点使得在封装布局中需要独特的控制回路布局设计来实现其独特的功能。基于逆导型半导体芯片，本发明所提出的封装结构的回路设计中可以通过提高输出功率额度、提供更低的热阻、更低的电感等来充分体现逆导型功率封装的优势。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种逆导型功率半导体模块封装结构及其封装方法，在具备逆导型芯片低热阻、高电流有点的同时可通过回路设计有效降低的功率半导体模块中的电感。
本发明的逆导型功率半导体模块封装结构，包括基板，其所述基板上设置有多个功能单元，所述功能单元包括相对设置的第一衬板与第二衬板，所述第一衬板上设置有第一金属层，所述第二衬板上设置有第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层上均设置有芯片模块，所述芯片模块由轴对称分布的由多个逆导型芯片组成，所述逆导型芯片的栅极区域位于其边角处且所述多个逆导型芯片的栅极区关于芯片模块的中心呈中心对称。
在一个实施方式中，所述第一衬板上还设置有第三金属层，所述第三金属层设置在所述第一衬板上靠近所述第二衬板的一侧；
所述第二衬板上还设置有第四金属层与第五金属层，所述第四金属层与所述第五金属层设置在所述第二衬板上靠近所述第一衬板的一侧；
其中，所述第一金属层至所述第五金属层构成功能单元的主电流回路。
在一个实施方式中，所述第一衬板上还设置有第六金属层与第七金属层，所述第六金属层设置在开设于所述第一金属层中部的开口中，所述多个逆导型芯片关于所述开口轴对称，所述第七金属层设置在所述第一衬板的远离所述第二衬板的一侧以键合第一辅助栅极端子，所述第六金属层与所述第七金属层用于在所述第一衬板上构成第一控制信号电流回路；
所述第二衬板还设置有第八金属层与第九金属层，所述第八金属层、第九金属层分别与所述第六金属层、第七金属层呈镜像对称，所述第九金属层用于键合第二辅助栅极端子，所述第八金属层与所述第九金属层用于在所述第二衬板上构成第二控制信号电流回路。
在一个实施方式中，所述第一衬板和所述第二衬板上的多个金属层分别在所述第一衬板和所述第二衬板上呈轴对称布局，且其对称轴为所述开口的轴线。
在一个实施方式中，所述第四金属层与所述五金属层分别对应第二金属层上呈轴对称分布的两部分逆导型芯片，所述第六金属层与第八金属层为长条形。
在一个实施方式中，所述第三金属层与所述第二金属层之间、所述第六金属层与所述第七金属层以及所述第七金属层与所述第八金属层之间均通过模块级键合线连接；
所述第一衬板上逆导型芯片的上表面源极通过芯片级键合线与所述第三金属层键合，所述第二衬板上轴对称分布的所述多个逆导型芯片的上表面源极通过芯片级键合线分别与所述第四金属层、所述第五金属层键合，所述第一衬板上的多个逆导型芯片与所述第二衬板上的多个逆导型芯片的栅极均通过芯片级键合线分别与所述第六金属层、所述第八金属层键合。
在一个实施方式中，所述第一衬板上的所述第一金属层连接正极功率端子，所述第二衬板上的所述第四金属层与所述第五金属层连接负极功率端子，所述第二衬板上的第二金属层连接交流功率端子。
在一个实施方式中，所述第三金属层还用于有第一辅助发射极端子，所述第四金属层或所述第五金属层上连接有第二辅助发射极端子。
在一个实施方式中，所述正极功率端子与所述负极功率端子形状相同且均为在竖直方向上的弯折结构，所述二者的顶部为相互镜像对称的安装部。
在一个实施方式中，所述正极功率端子与所述负极功率端子均包括引脚部，所述引脚部依次连接有第一弯折部、第一竖直连接部、第二弯折部、第二连接部、第三弯折部、第三竖直连接部，所述第三竖直连接部通过第四弯折部连接所述的安装部，所述第二弯折部与所述第三弯折部的弯折角度相同且大于90度并使所述第二连接部呈倾斜状。
在一个实施方式中，所述第二弯折部与所述第三弯折部的弯折角度范围在100°和110°之间。
在一个实施方式中，所述正极功率端子的所述引脚部包括第一引脚与第二引脚，所述负极功率端子的所述引脚部包括第三引脚与第四引脚；
所述第一引脚与所述第二引脚分别连接在所述第一衬板上的所述第一金属层上位于所述第三金属层两侧的位置，所述第四引脚与所述第五引脚对应所述第一引脚与所述第二引脚镜像地分别连接在所述第二衬板上的所述第四金属层与所述第五金属层上。
在一个实施方式中，包括两个并列且并联设置的所述功能单元，所述正极功率端子的所述引脚部还包括第五引脚与第六引脚，所述负极功率端子的所述引脚部包括第七引脚与第八引脚；
所述正极功率端子的所述第五引脚、所述第六引脚通过与所述第一引脚、所述第二引脚相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第一衬板上，所述负极功率端子的所述第七引脚、所述第八引脚通过与所述第三引脚、所述第四引脚相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第二衬板上。
在一个实施方式中，所述第七金属层中部对应所述第六金属层的区域、所述第九金属层中部对应所述第八金属层的区域为面积增大的扩大部以方便键合工艺。
在一个实施方式中，所述金属层为铜层、铝层或其他适合半导体芯片连接的金属表面镀层。
在一个实施方式中，所述衬板材料采用氧化铝、氮化铝或氮化硅等绝缘陶瓷材料。
在一个实施方式中，所述逆导型芯片为匹配快恢复二极管的绝缘栅双极型晶体管芯片或者匹配碳化硅肖特基二极管的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
在一个实施方式中，所述基板与所述功能单元中的第一衬板以及第二衬板采用一体成型。
在一个实施方式中，还包括管壳与灌封层，所述管壳固定连接在所述基板的边缘处并在所述基板上方形成灌封腔，所述灌封层由灌封材料灌注至所述灌封腔中形成。
在一个实施方式中，所述基板的下表面还设置有散热器。
在一个实施方式中，所述基板与所述散热器的材料采用铜、铝碳化硅或镁碳化硅。
在一个实施方式中，所述安装部上开设有至少一个安装孔，所述安装孔为椭圆孔或腰形孔。
本发明还提供了上述封装结构的封装方法，包括：
将芯片模块组固定到衬板上对应的金属层，并通过芯片级键合线与其他对应金属层连接；
将管壳粘接到基板上；
将包括正极功率端子、负极功率端子、辅助栅极端子、辅助发射极端子以及交流功率端子在内的端子部件与所述衬板上对应的金属层连接；
将灌封材料注入至灌封腔中并使之固化。
在一个实施方式中，所述芯片模块与所述衬板上对应金属层的连接方式采用焊接、铜烧结或银烧结，所述端子部件与所述衬板上对应金属层的连接方式为焊接或超声键合。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种逆导型功率半导体模块封装结构及其封装方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
1.针对逆导型芯片开通关断时候的电流控制特性，本发明采用中心对称化的栅极控制布局策略，保证多个逆导芯片并联的情况下每个芯片的栅极电感一致，保证并联芯片控制的电阻电感一致性，有助于对逆导高电流器件的灵活开关控制，使得控制信号均衡、开通关断均流，提升逆导封装模块的长期可靠性和短期耐短路能力。
2.本发明的正负功率端子采用斜面的大面积母排重叠设计，有别于传统的90°角设计，本发明采用优化后的100-110°角倾斜，该倾斜设计可以使灌封材料更好流入正负母排端子之间的间隙中，从而解决了高压器件封装中正负母排直接绝缘灌封材料流动性差容易引起气泡等问题，保证母排间的绝缘耐压性能；同时，倾斜角度的正负母排通过增大重叠面积，可以近一步降低10-15％的回路电感，进一步降低了功率模块的电感。
3.本发明采用衬板上表面功率芯片所在的金属层布局对称化，保证芯片主电流的共射级连接均衡对称，同时还能保证逆导型芯片工作在二极管状态下主电流对称性。本发明所采用的对称性衬板布局结构能够保证主电流所流经线路电感和电阻完全对称，进一步降低在实际工况中开关状态下的温度变化的幅度，提高功率模块长期可靠性，并联芯片的电流均衡性提高也同时提高整个器件的抗短路能力。
4.本发明的衬板与基板采用一体化成型，一体化衬板基板结构可有效降低整个功率器件的热阻，提高散热效率，降低了传统陶瓷衬板到基板的大面积焊接所带来的可靠性影响，提高模块的抗温度冲击的影响，提高模块长期可靠性；同时，一体化衬板基板机构也简化功率模块的生产流程、提高了模块生产效率、降低了生产成本。
5.本发明采用最优的封装材料，匹配灌封材料与基板、衬板、键合线以及端子部件的温度膨胀系数(CTE)值，提高功率模块在高功率循环工况下长期使用的可靠性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的封装结构中由两个衬板组成的功能单元的结构示意图；
图2显示了本发明的封装结构中两个功能单元并联设置时的结构示意图；
图3显示了本发明的封装结构的正负功率端子端面向的结构示意图；
图4显示了本发明的封装结构的正负功率端子轴测向的结构示意图；
图5显示了本发明的封装结构的整体结构示意图；
图6显示了本发明的封装方法的工艺流程图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-第一衬板，11-第一金属层，12-第三金属层，13-第六金属层，14-第七金属层，2-第二衬板，21-第二金属层，22-第四金属层，23-第五金属层，24-第八金属层，25-第九金属层，3-基板，4a-正极功率端子，4b-负极功率端子，4c-交流功率端子，41-安装部，411-安装孔，42-引脚部，421-第一引脚，422-第二引脚，423-第三引脚，424-第四引脚，425-第五引脚，426-第六引脚，427-第八引脚，43-第一弯折部，44-第一竖直连接部，45-第二弯折部，46-第二连接部，47-第三弯折部，48-第三竖直连接部，49-第四弯折部，5-芯片模块，51-逆导型芯片，6-灌封层，7-管壳，8-散热器，9-扩大部。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明，附图中衬板上的阴影区域代表端子部件对应的键合位置。
如附图图1所示，本发明提供的逆导型功率半导体模块封装结构，包括基板3，其特征在于，基板3上设置有多个功能单元，功能单元包括相对设置的第一衬板1与第二衬板2，第一衬板1上设置有第一金属层11，第二衬板2上设置有第二金属层21，第一金属层11与第二金属层21上均设置有芯片模块5，芯片模块5由轴对称分布的由多个逆导型芯片51组成，逆导型芯片51的栅极区域位于其边角处且多个逆导型芯片51的栅极区关于芯片模块5的中心呈中心对称。
具体地，芯片模块5中的多个逆导型芯片51采用对称布置，并且其芯片栅极呈中心对称布局，该布局设计可以降低芯片控制极的寄生电感，同时保证多个逆导芯片并联的情况下每个芯片的栅极电感一致，进而保证并联芯片控制的电阻电感一致性，有助于对逆导高电流器件的灵活开关控制，提升逆导封装模块的长期可靠性和短期耐短路能力。
优选地，基板3上的两个相邻设置的功能单元并联连接为整体，如附图图2所示，以提高电流的承载上限。
优选地，基板3与功能单元中的第一衬板1以及第二衬板2采用一体成型。
在一个实施例中，第一衬板1上还设置有第三金属层12，第三金属层12设置在第一衬板1上靠近第二衬板2的一侧；
第二衬板2上还设置有第四金属层22与第五金属层23，第四金属层22与第五金属层23设置在第二衬板2上靠近第一衬板1的一侧；
其中，第一金属层11至第五金属层23构成功能单元的主电流回路。
在一个实施例中，第一衬板1上还设置有第六金属层13与第七金属层14，第六金属层13设置在开设于第一金属层11中部的开口中，多个逆导型芯片51关于开口轴对称，第七金属层14设置在第一衬板1的远离第二衬板2的一侧以键合第一辅助栅极端子，第六金属层13与第七金属层14用于在第一衬板1上构成第一控制信号电流回路；
第二衬板2还设置有第八金属层24与第九金属层25，第八金属层24、第九金属层25分别与第六金属层13、第七金属层14呈镜像对称，第九金属层25用于键合第二辅助栅极端子，第八金属层24与第九金属层25用于在第二衬板2上构成第二控制信号电流回路。
具体地，第一衬板1上的芯片模块5与第二衬板2上的芯片模块5分别通过第一控制信号电流回路与第二控制信号电流回路进行控制，控制信号实质上也是电流，控制信号的电流分别通过第七金属层14上的第一辅助栅极端子(附图中未示出)与第九金属层25上的第二辅助栅极端子(附图中未示出)输入。
具体地，需要说明的是，第二衬板2上的第二金属层21中部也对应开设有用于设置第八金属层24的开口。
在一个实施例中，第一衬板1和第二衬板2上的多个金属层分别在第一衬板1和第二衬板2上呈轴对称布局，且其对称轴为开口的轴线。
具体地，金属层的对称布局使得通过金属层输出与输出的主电流以及控制信号电流的流通回路均对称，进而降低回路电感以及功率模块开关状态下的温度变化，提高功率模块的可靠性。
在一个实施例中，第四金属层22与五金属层分别对应第二金属层21上呈轴对称分布的两部分逆导型芯片51，第六金属层13与第八金属层24均为长条形。
具体地，芯片模块5中的逆导型芯片51关于开口对称，即是关于对应的第六金属层13或第八金属层24对称，进而将第六金属层13与第八金属层24设置为长条形可以方便各个位置的逆导型芯片51的栅极的键合。
在一个实施例中，第三金属层12与第二金属层21之间、第六金属层13与第七金属层14以及第七金属层14与第八金属层24之间均通过模块级键合线连接；
第一衬板1上逆导型芯片51的上表面源极通过芯片级键合线与第三金属层12键合，第二衬板2上轴对称分布的多个逆导型芯片51的上表面源极通过芯片级键合线分别与第四金属层22、第五金属层23键合，第一衬板1上的多个逆导型芯片51与第二衬板2上的多个逆导型芯片51的栅极均通过芯片级键合线分别与第六金属层13、第八金属层24键合。
具体地，模块级键合线用于各金属层之间的键合连接，芯片级键合线用于芯片上表面与对应金属层之间的键合连接，芯片上表面包括芯片源极区域与芯片栅极区域。
在一个实施例中，第一衬板1上的第一金属层11连接正极功率端子4a，第二衬板2上的第四金属层22与第五金属层23连接负极功率端子4b，第二衬板2上的第二金属层21连接交流功率端子4c。
具体地，如附图图1所示，功率模拟开启时，主电流通过正极功率端子4a输入至第一衬板1上第一金属层11并进入至第一金属层11上的逆导型芯片51中，主电流从芯片源极流出后利用芯片级键合线模块级键合线依次通过第三金属层12与第二金属层21，最后由第二金属层21进入交流功率端子4c并流向后端负载。
在功率模块开启后的一个开关周期内，模块关闭的瞬间，因为功率模块后端负载一般为电动机等感性负载，感性负载在模块关闭的瞬间会产生反向的感应电动势，进而会有反向的感应电流由交流功率端子4c进入功率模块并在经过第二衬板2上的第二金属层21与逆导型芯片51后流至第四金属层22与第五金属层23，并最终通过负极功率端子4b流出。
在一个实施例中，第三金属层12还用于有第一辅助发射极端子，第四金属层22或第五金属层23上连接有第二辅助发射极端子。
具体地，控制信号的电流由辅助栅极端子输入并通过辅助发射极端子输出，所以第一辅助发射极端子(附图中未示出)、第二辅助发射极端子(附图中未示出)分别与第一辅助栅极端子、第二辅助栅极端子构成完整的控制信号电流回路。
在一个实施例中，正极功率端子4a与负极功率端子4b形状相同且均为在竖直方向上的弯折结构，二者的顶部为相互镜像对称的安装部41。
具体地，正极功率端子4a与负极功率端子4b的安装部分别用于连接外部的主电流的输与入输出端，具体设置形式如附图图3与图4所示，正极功率端子4a与负极功率端子4b相对设置，二者之间具有重叠的部分。
在一个实施例中，正极功率端子4a与负极功率端子4b均包括引脚部42，引脚部42依次连接有第一弯折部43、第一竖直连接部44、第二弯折部45、第二连接部46、第三弯折部47、第三竖直连接部48，第三竖直连接部48通过第四弯折部49连接的安装部41，第二弯折部45与第三弯折部47的弯折角度相同且大于90度并使第二连接部46呈倾斜状。优选地，第二弯折部45与第三弯折部47的弯折角度范围在100°和110°之间。
具体地，第二连接部46为倾斜，其目的一是为了方便灌封材料在正极功率端子4a与负极功率端子4b之间的缝隙中流动，进而消除汽泡、保证绝缘性；其目的二是因为倾斜的第二连接部46相较于传统的水平设置可以增大正极功率端子4a与负极功率端子4b的重叠部分，进一步减小电感。
在一个实施例中，正极功率端子4a的引脚部42包括第一引脚421与第二引脚422，负极功率端子4b的引脚部42包括第三引脚423与第四引脚424；
第一引脚421与第二引脚422分别连接在第一衬板1上的第一金属层11上位于第三金属层12两侧的位置，第四引脚424与第五引脚425对应第一引脚421与第二引脚422镜像地分别连接在第二衬板2上的第四金属层22与第五金属层23上。
具体地，如附图图1所示，第一引脚421与第二引脚422的连接位置为第三金属层12两端的第一金属层11上的对应位置。
在一个实施例中，包括两个并列且并联设置的功能单元，正极功率端子4a的引脚部42还包括第五引脚425与第六引脚426，负极功率端子4b的引脚部42包括第七引脚与第八引脚427；
正极功率端子4a的第五引脚425、第六引脚426通过与第一引脚421、第二引脚422相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第一衬板1上，负极功率端子4b的第七引脚、第八引脚427通过与第三引脚423、第四引脚424相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第二衬板2上。
具体地，如附图图2所示的两个功能单元并联的结构，通过一对正负功率端子连接，所以正负功率端子分别具备4个引脚，用以对应连接两个并联的功能单元中设置在一侧的两个第一衬板1或两个第二衬板2。
在一个实施例中，第七金属层14中部对应第六金属层13的区域、第九金属层25中部对应第八金属层24的区域为面积增大的扩大部9以方便键合工艺。
在一个实施例中，金属层为铜层、铝层或其他适合半导体芯片连接的金属表面镀层。
在一个实施例中，衬板材料采用氧化铝、氮化铝或氮化硅等绝缘陶瓷材料。
在一个实施例中，逆导型芯片51为匹配快恢复二极管的绝缘栅双极型晶体管芯片或者匹配碳化硅肖特基二极管的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
在一个实施例中，如附图图5所示，还包括管壳7与灌封层6，管壳7固定连接在基板3的边缘处并在基板3上方形成灌封腔，灌封层6由灌封材料灌注至灌封腔中形成。
具体地，需要说明的是，灌封材料一般采用液态环氧树脂，应根据其热膨胀系数进行选用，其热膨胀系数需要与功率模块中管壳7、键合线、端子部件相匹配，即以上部件的热膨胀系数的数值在不能完全相同的情况下应该相互靠近。
在一个实施例中，基板3的下表面还设置有散热器8。
在一个实施例中，基板3与散热器8的材料采用铜、铝碳化硅或镁碳化硅。
在一个实施例中，安装部41上开设有至少一个安装孔411，安装孔411为椭圆孔或腰形孔。
具体地，安装孔411用于通过螺栓连接的方式连接外部的主电流连接端子。
如附图图6所示，本发明还提供了上述封装结构的封装方法，包括：
将芯片模块5组固定到衬板上对应的金属层，并通过芯片级键合线与其他对应金属层连接；
将管壳7粘接到基板3上；
将包括正极功率端子4a、负极功率端子4b、辅助栅极端子、辅助发射极端子以及交流功率端子4c在内的端子部件与衬板上对应的金属层连接；
将灌封材料注入至灌封腔中并使之固化。
在一个实施例中，芯片模块5与衬板上对应金属层的连接方式采用焊接、铜烧结或银烧结，端子部件与衬板上对应金属层的连接方式为焊接或超声键合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (24)
1.一种逆导型功率半导体模块封装结构，包括基板，其特征在于，所述基板上设置有多个功能单元，所述功能单元包括相对设置的第一衬板与第二衬板，所述第一衬板上设置有第一金属层，所述第二衬板上设置有第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层上均设置有芯片模块，所述芯片模块由轴对称分布的由多个逆导型芯片组成，所述逆导型芯片的栅极区域位于其边角处且所述多个逆导型芯片的栅极区关于芯片模块的中心呈中心对称。
2.根据权利要求1所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，
所述第一衬板上还设置有第三金属层，所述第三金属层设置在所述第一衬板上靠近所述第二衬板的一侧；
所述第二衬板上还设置有第四金属层与第五金属层，所述第四金属层与所述第五金属层设置在所述第二衬板上靠近所述第一衬板的一侧；
其中，所述第一金属层至所述第五金属层构成功能单元的主电流回路。
3.根据权利要求2所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，
所述第一衬板上还设置有第六金属层与第七金属层，所述第六金属层设置在开设于所述第一金属层中部的开口中，所述多个逆导型芯片关于所述开口轴对称，所述第七金属层设置在所述第一衬板的远离所述第二衬板的一侧以键合第一辅助栅极端子，所述第六金属层与所述第七金属层用于在所述第一衬板上构成第一控制信号电流回路；
所述第二衬板还设置有第八金属层与第九金属层，所述第八金属层、第九金属层分别与所述第六金属层、第七金属层呈镜像对称，所述第九金属层用于键合第二辅助栅极端子，所述第八金属层与所述第九金属层用于在所述第二衬板上构成第二控制信号电流回路。
4.根据权利要求3所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第一衬板和所述第二衬板上的多个金属层分别在所述第一衬板和所述第二衬板上呈轴对称布局，且其对称轴为所述开口的轴线。
5.根据权利要求4所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第四金属层与所述五金属层分别对应第二金属层上呈轴对称分布的两部分逆导型芯片，所述第六金属层与第八金属层为长条形。
6.根据权利要求5所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第三金属层与所述第二金属层之间、所述第六金属层与所述第七金属层以及所述第七金属层与所述第八金属层之间均通过模块级键合线连接；
所述第一衬板上逆导型芯片的上表面源极通过芯片级键合线与所述第三金属层键合，所述第二衬板上轴对称分布的所述多个逆导型芯片的上表面源极通过芯片级键合线分别与所述第四金属层、所述第五金属层键合，所述第一衬板上的多个逆导型芯片与所述第二衬板上的多个逆导型芯片的栅极均通过芯片级键合线分别与所述第六金属层、所述第八金属层键合。
7.根据权利要求6所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第一衬板上的所述第一金属层连接正极功率端子，所述第二衬板上的所述第四金属层与所述第五金属层连接负极功率端子，所述第二衬板上的第二金属层连接交流功率端子。
8.根据权利要求7所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第三金属层还用于有第一辅助发射极端子，所述第四金属层或所述第五金属层上连接有第二辅助发射极端子。
9.根据权利要求7所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述正极功率端子与所述负极功率端子形状相同且均为在竖直方向上的弯折结构，所述二者的顶部为相互镜像对称的安装部。
10.根据权利要求9所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述正极功率端子与所述负极功率端子均包括引脚部，所述引脚部依次连接有第一弯折部、第一竖直连接部、第二弯折部、第二连接部、第三弯折部、第三竖直连接部，所述第三竖直连接部通过第四弯折部连接所述的安装部，所述第二弯折部与所述第三弯折部的弯折角度相同且大于90度并使所述第二连接部呈倾斜状。
11.根据权利要求10所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第二弯折部与所述第三弯折部的弯折角度范围在100°和110°之间。
12.根据权利要求10所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述正极功率端子的所述引脚部包括第一引脚与第二引脚，所述负极功率端子的所述引脚部包括第三引脚与第四引脚；
所述第一引脚与所述第二引脚分别连接在所述第一衬板上的所述第一金属层上位于所述第三金属层两侧的位置，所述第四引脚与所述第五引脚对应所述第一引脚与所述第二引脚镜像地分别连接在所述第二衬板上的所述第四金属层与所述第五金属层上。
13.根据权利要求12所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，包括两个并列且并联设置的所述功能单元，所述正极功率端子的所述引脚部还包括第五引脚与第六引脚，所述负极功率端子的所述引脚部包括第七引脚与第八引脚；
所述正极功率端子的所述第五引脚、所述第六引脚通过与所述第一引脚、所述第二引脚相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第一衬板上，所述负极功率端子的所述第七引脚、所述第八引脚通过与所述第三引脚、所述第四引脚相同的方式连接在并列设置的另一个功能单元的第二衬板上。
14.根据权利要求3-13任一项所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述第七金属层中部对应所述第六金属层的区域、所述第九金属层中部对应所述第八金属层的区域为面积增大的扩大部以方便键合工艺。
15.根据权利要求1-13任一项所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述金属层为铜层、铝层或其他适合半导体芯片连接的金属表面镀层。
16.根据权利要求1-13任一项所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述衬板材料采用氧化铝、氮化铝或氮化硅等绝缘陶瓷材料。
17.根据权利要求1所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述逆导型芯片为匹配快恢复二极管的绝缘栅双极型晶体管芯片或者匹配碳化硅肖特基二极管的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
18.根据权利要求1所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述基板与所述功能单元中的第一衬板以及第二衬板采用一体成型。
19.根据权利要求1或18所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，还包括管壳与灌封层，所述管壳固定连接在所述基板的边缘处并在所述基板上方形成灌封腔，所述灌封层由灌封材料灌注至所述灌封腔中形成。
20.根据权利要求1所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述基板的下表面还设置有散热器。
21.根据权利要求20所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述基板与所述散热器的材料采用铜、铝碳化硅或镁碳化硅。
22.根据权利要求10所述的逆导型功率半导体模块封装结构，其特征在于，所述安装部上开设有至少一个安装孔，所述安装孔为椭圆孔或腰形孔。
23.根据权利要求1-22任一项所述的封装结构的封装方法，其特征在于，包括：
将芯片模块组固定到衬板上对应的金属层，并通过芯片级键合线与其他对应金属层连接；
将管壳粘接到基板上；
将包括正极功率端子、负极功率端子、辅助栅极端子、辅助发射极端子以及交流功率端子在内的端子部件与所述衬板上对应的金属层连接；
将灌封材料注入至灌封腔中并使之固化。
24.根据权利要求23所述的封装方法，其特征在于，所述芯片模块与所述衬板上对应金属层的连接方式采用焊接、铜烧结或银烧结，所述端子部件与所述衬板上对应金属层的连接方式为焊接或超声键合。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117334689A (zh) * | 2023-10-26 | 2024-01-02 | 华中科技大学 | 一种高温宽禁带功率模块及其制备方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080054425A1 (en) * | 2006-08-29 | 2008-03-06 | Denso Corporation | Power electronic package having two substrates with multiple electronic components |
| US20090127691A1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-05-21 | Lee Keun-Hyuk | Semiconductor Power Module Packages with Simplified Structure and Methods of Fabricating the Same |
| CN102569237A (zh) * | 2010-12-14 | 2012-07-11 | 万国半导体股份有限公司 | 半导体芯片的封装体及组装方法 |
| CN104332446A (zh) * | 2013-07-22 | 2015-02-04 | 西安永电电气有限责任公司 | Dbc基板 |
| CN104900546A (zh) * | 2015-05-04 | 2015-09-09 | 嘉兴斯达半导体股份有限公司 | 一种功率模块的封装结构 |
| US20180040548A1 (en) * | 2016-08-05 | 2018-02-08 | Ji-Hwang KIM | Semiconductor package including a rewiring layer with an embedded chip |
| US20180240732A1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
| CN109346457A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-02-15 | 华侨大学 | 一种具有电磁隔离功能的igbt功率模块 |
| CN208861980U (zh) * | 2018-09-13 | 2019-05-14 | 比亚迪股份有限公司 | 功率模块组件、功率半导体模块和车辆 |
| CN110400794A (zh) * | 2018-04-25 | 2019-11-01 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | 一种功率半导体模块封装结构 |
-
2019
- 2019-12-25 CN CN201911359251.8A patent/CN113035787B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080054425A1 (en) * | 2006-08-29 | 2008-03-06 | Denso Corporation | Power electronic package having two substrates with multiple electronic components |
| US20090127691A1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-05-21 | Lee Keun-Hyuk | Semiconductor Power Module Packages with Simplified Structure and Methods of Fabricating the Same |
| CN102569237A (zh) * | 2010-12-14 | 2012-07-11 | 万国半导体股份有限公司 | 半导体芯片的封装体及组装方法 |
| CN104332446A (zh) * | 2013-07-22 | 2015-02-04 | 西安永电电气有限责任公司 | Dbc基板 |
| CN104900546A (zh) * | 2015-05-04 | 2015-09-09 | 嘉兴斯达半导体股份有限公司 | 一种功率模块的封装结构 |
| US20180040548A1 (en) * | 2016-08-05 | 2018-02-08 | Ji-Hwang KIM | Semiconductor package including a rewiring layer with an embedded chip |
| US20180240732A1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
| CN110400794A (zh) * | 2018-04-25 | 2019-11-01 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | 一种功率半导体模块封装结构 |
| CN208861980U (zh) * | 2018-09-13 | 2019-05-14 | 比亚迪股份有限公司 | 功率模块组件、功率半导体模块和车辆 |
| CN109346457A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-02-15 | 华侨大学 | 一种具有电磁隔离功能的igbt功率模块 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117334689A (zh) * | 2023-10-26 | 2024-01-02 | 华中科技大学 | 一种高温宽禁带功率模块及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113035787B (zh) | 2024-04-19 |
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