CN113764386A - 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺 - Google Patents

多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN113764386A
CN113764386A CN202111057400.2A CN202111057400A CN113764386A CN 113764386 A CN113764386 A CN 113764386A CN 202111057400 A CN202111057400 A CN 202111057400A CN 113764386 A CN113764386 A CN 113764386A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
chip
unit
chips
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111057400.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113764386B (zh
Inventor
鲍婕
周云艳
胡娟
张俊武
周斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Googe Thermal Cooling Technology Co ltd
Original Assignee
Googe Thermal Cooling Technology Co ltd
Huangshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Googe Thermal Cooling Technology Co ltd, Huangshan University filed Critical Googe Thermal Cooling Technology Co ltd
Priority to CN202111057400.2A priority Critical patent/CN113764386B/zh
Publication of CN113764386A publication Critical patent/CN113764386A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113764386B publication Critical patent/CN113764386B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/065—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L25/0657—Stacked arrangements of devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/50—Multistep manufacturing processes of assemblies consisting of devices, each device being of a type provided for in group H01L27/00 or H01L29/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺，该功率模块将三相逆变功率单元布局在模块中间位置，三相桥式整流单元和制动斩波单元分别位于两侧。直流母线端子位于模块同一侧，且高低压端子交替排列，三相逆变功率输出端子以及控制信号端子位于模块另一侧，三相桥式整流单元的交流输入端子从模块右侧引出。本发明采用叠装结构，将两层芯片与两块衬板分别叠装在引线框架上下两面，与电源和输出端子布局相配合，得到低寄生封装结构；模块下表面金属层连接底热沉，模块上表面金属层连接顶热沉，以双面散热结构解决低寄生叠装结构带来的高热流密度问题。

Description

多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺。
背景技术
多单元功率集成模块是近年来兴起的一类新型功率模块，将整流电路、制动电路、逆变电路集成封装在一个功率模块中，具有体积小、功率大、集成度高、外部布线和焊接点少、频率特性好等优点，因此广泛应用于工业传动和家用空调等领域。近年来碳化硅(SiC)基功率器件的优异特性也引起了功率集成模块领域的极大关注，无论是全SiC模块或者Si-SiC混合模块，相比于全Si模块，理论上都能大大降低关断损耗，提高功率模块的开关效率。
由于SiC功率模块对于寄生电感的耐受水平较低，现有技术中使用柔性印制电路板将SiC半桥模块的回路寄生电感减小到2.5nH(参考文献[1]：Huang Z,Li Y,Chen C,KangY,“An Ultra-fast and Low Inductive SiC Half-bridge Module Based on NovelHybrid Packaging Structure,”Power Electronics,2017,vol.51,pp.20-22)；通过在平面和三维结构中去掉键合线减小寄生电感(参考文献[2]：Y.Chang,H.Luo,F,Iannuzzo,A.S.Bahman,and F.Blaabjerg,"Compact Sandwiched Press-Pack SiC Power ModuleWith Low Stray Inductance and Balanced Thermal Stress,”IEEE Transactions onPower Electronics,2020,vol.35,pp.2237-2241)。但是上述研究中功率模块结构较为简单，对于多单元功率集成模块，芯片数量多，电路结构复杂，给布线设计和散热结构带来很大挑战。
为了实现多单元功率集成模块的低寄生电感封装，本发明采用叠装结构，缩短布线长度，同时优化电源和输出端子布局，减小寄生参数，但由于芯片位置相对更为集中，会导致模块内部热流密度很高，本发明进一步采用双面散热，通过加装底热沉和顶热沉，改善多单元功率集成模块的热可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，设计一种低寄生的多单元功率集成模块的叠装结构及封装工艺，通过将芯片叠装成两层，并在同一侧交替排列直流母线的高低压端子，减小功率模块的寄生参数。本发明将发热量最大的三相逆变功率单元布局在模块中间，利于热量扩散，此外，将模块中两块衬板的上下金属表面裸露在封装体外，加装热沉，形成双面散热结构，进而提升模块的散热性能和可靠性。
为达到上述目的，本发明设计了一种多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其电路上包括三相逆变功率单元、三相桥式整流单元和制动斩波单元，模块自下而上包括底衬板、第一互连层、第一层组件、第二互连层、第三互连层、第二层组件、第四互连层、顶衬板，由模块管壳封装；所述底衬板有三层，依次为底布线层、第一绝缘层和底金属层；所述顶衬板有三层，依次为顶布线层、第二绝缘层、顶金属层；第一层组件下表面通过第一互连层贴装在底布线层的对应位置上，第一层组件上表面通过第二互连层连接引线框架，然后通过第三互连层与第二层组件相连，第二层组件上表面通过第四互连层贴装在顶布线层的对应位置上；
所述三相逆变功率单元包括六个第一芯片和六个第二芯片，其中每一对第一芯片和第二芯片并联组成一个基本电路单元，第一层组件包括组成三相逆变功率单元上桥臂的三个基本电路单元，第二层组件包括组成三相逆变功率单元下桥臂的三个基本电路单元；上桥臂的芯片正面电极与下桥臂的芯片背面电极通过引线框架相连接；第一层组件还包括三相桥式整流单元上桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元的二极管芯片，以及与三相逆变功率单元的上桥臂第一芯片的栅极控制信号端子相连接的第一金属垫片、与直流母线的高压端子和第一层组件中第一芯片的控制信号端子相连接的第二金属垫片；第二层组件还包括三相桥式整流单元下桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元的IGBT芯片，以及与直流母线的低压端子相连接的第三金属垫片；
第一层组件中，第一芯片的集电极和第二芯片的阴极通过底布线层相连接，第一芯片的发射极和第二芯片的阳极通过引线框架相连接，第一芯片的栅极通过第一层键合线连接到与控制信号端子相连的第一金属垫片上；第二层组件中，第一芯片的集电极以及制动斩波单元中的IGBT芯片的集电极和第二芯片的阴极通过引线框架相连接，第一芯片的发射极以及制动斩波单元中的IGBT芯片的发射极和第二芯片的阳极通过顶布线层相连接，第一芯片的栅极以及制动斩波单元中的IGBT芯片的栅极通过第二层键合线连接到引线框架上对应的控制信号端子上。
具体的，所述底金属层下表面裸露在模块管壳外，通过导热硅脂层外接底热沉；所述顶金属层上表面裸露在模块管壳外，通过导热硅脂层外接顶热沉。
具体的，所述三相逆变功率单元布局在模块中间位置，三相桥式整流单元和制动斩波单元分别位于模块左右两侧。
具体的，三相桥式整流单元的交流输入端子L1、L2、L3从模块就近的一侧引出；与之相邻的两侧中，三相逆变功率单元的直流母线高压端子P1、三相低压端子EU、EV、EW，三相桥式整流单元的直流母线高压端子P、直流母线低压端子N，以及制动斩波单元的直流母线高压端子B、直流母线低压端子NB位于一侧，且高、低压端子交替排列；三相逆变功率单元的功率输出端子U、V、W以及控制信号端子则位于相对的另一侧。
具体的，所述引线框架的下表面通过第二互连层与第一层组件的上表面相连，引线框架的上表面通过第三互连层与第二层组件的下表面相连。
具体的，所述三相逆变功率单元可以是由六组硅基IGBT芯片和硅基续流二极管芯片组成的Si功率模块，此时第一芯片是指硅基IGBT芯片，第二芯片是指硅基续流二极管芯片；也可以是由六组硅基IGBT芯片与碳化硅基肖特基势垒二极管芯片组成的Si-SiC混合模块，此时第一芯片是指硅基IGBT芯片，第二芯片是指碳化硅基肖特基势垒二极管芯片；还可以是由六个碳化硅基MOSFET芯片组成的全SiC模块，此时每个基本电路单元中的第一芯片和第二芯片合并为一个碳化硅基MOSFET芯片。
具体的，所述底热沉和顶热沉可以采用铜、铝金属散热块，也可以采用石墨烯基散热膜，还可以采用翅片散热器或翅柱散热器。
本发明还相应的公开了上述多单元功率集成模块的封装工艺，包括以下步骤：
步骤1、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的底衬板，在底衬板上表面金属层图形化制作底布线层，在底布线层上对应第一层组件的位置上制作第一互连层，贴装第一层组件，并将第一层组件中芯片的栅极键合连接到与控制信号端子相连接的第一层组件中的金属垫片上；所述第一层组件包括三相逆变功率单元上桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元上桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元的二极管芯片，以及与三相逆变功率单元的上桥臂第一芯片的栅极控制信号端子相连接的第一金属垫片、与直流母线的高压端子和第一层组件中第一芯片控制信号端子相连接的第二金属垫片；
步骤2、在第一层组件上表面的设定位置上制作第二互连层，贴装图形化制作的引线框架；
步骤3、在引线框架上表面设定位置上制作第三互连层，贴装第二层组件，并将第二层组件中芯片的栅极键合连接到引线框架上与控制信号输出端子相连接的位置；所述第二层组件包括三相逆变功率单元下桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元下桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元的IGBT芯片，以及与直流母线的低压端子相连接的第三金属垫片；
步骤4、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的顶衬板，在顶衬板下表面金属层图形化制作顶布线层，在第二层组件上表面设定位置制作第四互连层，与顶衬板的顶布线层贴装在一起；
步骤5、将步骤4得到的结构进行真空焊接并塑封，留底衬板下表面金属层和顶衬板上表面金属层裸露在外，在上、下表面分别涂覆导热硅脂，加装热沉。
具体的，步骤1所述底衬板和步骤4所述顶衬板的布线层厚度范围是18μm～20μm。
所使用的所有芯片厚度一致，边长范围是80μm～100μm，所使用的金属垫片厚度与芯片厚度相同。
本发明具有如下优点：
1、本发明采用叠装结构，将芯片以两层结构叠装，缩短了布线长度，又将直流母线的高低压端子布局在模块同一侧，交替排列，减小了寄生电感，优化了功率集成模块的开关特性。
2、本发明将发热量最大的功率逆变单元布局在模块的中间位置，实现模块的散热优化，进而提升模块的散热性能和可靠性。
3、本发明采用双面散热结构，通过与模块的上下表面金属层外接双热沉，提高了模块纵向的散热能力。
附图说明
图1是本发明的叠装结构剖面示意图。
图2是本发明实施例中电路单元的平面布局图。
图3是本发明实施例中外接端子的平面布局图。
图4是本发明实施例中底布线层的平面结构图。
图5是本发明实施例中引线框架的导电互连结构图。
图6是本发明实施例中顶布线层的平面结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
多单元功率集成模块(PIM)从电路上包括三相逆变功率单元101、三相桥式整流单元102和制动斩波单元103。其中，三相逆变功率单元101包括六个第一芯片和六个第二芯片，其中每一对第一芯片和第二芯片并联组成一个基本电路单元，其中三个基本电路单元为上桥臂，三个基本电路单元为下桥臂。三相桥式整流单元102包括六个二极管芯片，其中三个二极管芯片为上桥臂，三个二极管芯片为下桥臂。制动斩波单元103包括一个二极管芯片和一个IGBT芯片。由于都是常规电路，电路连接关系不再赘述。
上述三相逆变功率单元101，可以是由六组硅基IGBT芯片和硅基续流二极管芯片组成的Si功率模块，也可以是由六组硅基IGBT芯片与碳化硅SiC基肖特基势垒二极管SBD芯片组成的Si-SiC混合模块，或者是由六个SiC基MOSFET芯片组成的全SiC模块。以下以第一芯片是硅基IGBT芯片，第二芯片是硅基续流二极管芯片为例进行描述。
本发明提出了一种多单元功率集成模块的叠装结构，剖面结构示意图如图1所示，本发明的模块结构自下而上包括：底衬板、第一互连层14、第一层组件、第二互连层21、第三互连层23、第二层组件、第四互连层26、顶衬板，由模块管壳32封装。
底衬板有三层，依次为底布线层13、第一绝缘层12和底金属层11，底金属层11下表面裸露在模块管壳32外，通过导热硅脂层外接底热沉34。顶衬板有三层，依次为顶布线层29、第二绝缘层30、顶金属层31，顶金属层31上表面裸露在模块管壳32外，通过导热硅脂层外接顶热沉36。第二互连层21连接引线框架22，然后通过第三互连层23与第二层组件相连。
所述第一层组件包括三相逆变功率单元101上桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元102上桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元103的二极管芯片，以及与三相逆变功率单元101的上桥臂IGBT芯片的栅极控制信号端子相连接的第一金属垫片19、与直流母线的高压端子和第一层组件中芯片控制信号端子相连接的第二金属垫片20。
所述第二层组件包括三相逆变功率单元101下桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元下桥臂102的三个二极管芯片、制动斩波单元103的IGBT芯片，以及与直流母线的低压端子相连接的第三金属垫片25。
本发明的功率集成模块中包括的三个电路单元，其布局如图2所示，分别为三相逆变功率单元101、三相桥式整流单元102和制动斩波单元103，图中芯片的位置以虚线代表位于第一层的芯片(属于第一层组件)，实线代表位于第二层的芯片(属于第二层组件)。
三相逆变功率单元101布局在模块中间位置，包括六个IGBT芯片15-1～15-6(在图1中统一标记为15)和六个续流二极管芯片16-1～16-6(在图1中统一标记为16)，每一对IGBT芯片和续流二极管芯片并联组成一个基本电路单元。其中，第一层的三组芯片组成三相逆变功率单元101的上桥臂，每个IGBT芯片的集电极和续流二极管芯片的阴极通过底布线层13相连接，每个IGBT芯片的发射极和续流二极管芯片的阳极通过引线框架22相连接；每个IGBT芯片的栅极通过第一层键合线27连接到与控制信号端子相连的第一金属垫片19上；第二层的三组芯片组成三相逆变功率单元102的下桥臂，每个IGBT芯片的集电极和续流二极管芯片的阴极通过引线框架22相连接，每个IGBT芯片的发射极和续流二极管芯片的阳极通过顶布线层29相连接，每个IGBT芯片的栅极通过第二层键合线28连接到引线框架22上对应的控制信号端子上；上桥臂的芯片正面电极与下桥臂的芯片背面电极通过引线框架22相连接。
三相桥式整流单元102位于模块右侧，由六个二极管芯片17-1～17-6(在图1中统一标记为17)组成。位于第一层的三个二极管芯片17-1、17-2、17-3组成三相桥式整流单元102的上桥臂，每个二极管芯片的阴极通过底布线层13相连接，每个二极管芯片的阳极连接到引线框架22上对应的位置；第二层三个二极管芯片17-4、17-5、17-6组成三相桥式整流单元102的下桥臂，每个二极管芯片的阴极连接到引线框架22上对应的位置，每个二极管芯片的阳极通过顶布线层29相连接；上桥臂的芯片阳极与下桥臂的芯片阴极通过引线框架22相连接。
制动斩波单元103位于模块左侧，由一个二极管芯片18和一个IGBT芯片24组成，二极管芯片18在第一层，其阴极通过底布线层13与三相逆变功率单元101的上桥臂芯片背面电极相连接，其阳极通过引线框架22与IGBT芯片24的集电极相连接，IGBT芯片24在第二层，其发射极连接到顶布线层29上，栅极通过第二层键合线28连接到引线框架22上对应的控制信号端子上。
如图3所示，三相桥式整流单元102位于模块右侧的情况下，三相桥式整流单元102的交流输入端子L1、L2、L3就近从模块右侧引出。与模块右侧相邻的前、后两侧中，三相逆变功率单元101的直流母线高压端子P1、三相低压端子EU、EV、EW，三相桥式整流单元102的直流母线高压端子P、低压端子N，以及制动斩波单元103的直流母线高压端子B、低压端子NB位于模块同一侧，且高低压端子交替排列。三相逆变功率输出端子U、V、W以及控制信号G1、G2、G3、G4、G5、G6、GB则位于模块另一侧。
本发明还提出了上述多单元功率集成模块的封装工艺，具体步骤如下：
步骤1、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的底衬板，在底衬板上表面金属层图形化制作底布线层13，厚度范围是18μm～20μm。平面结构如图4中实线所示，在与第一层组件对应的位置上制作第一互连层14，可以采用75～80μm的纳米银胶或95～100μm的无铅焊膏。分别将三相逆变功率单元101上桥臂的IGBT芯片15-1、15-2、15-3的集电极、续流二极管芯片16-1、16-2、16-3的阴极，三相桥式整流单元102中二极管芯片17-1、17-2、17-3的阴极，制动斩波单元103中二极管芯片18的阴极，以及与IGBT芯片15-1、15-2、15-3的栅极控制信号端子G1、G2、G3相连的金属垫片19-1、19-2、19-3(在图1中统一标记为第一金属垫片19)下表面，与三相逆变功率单元101的直流母线高压端子P1和三相桥式整流单元102的直流母线高压端子P相连的金属垫片20-1、20-2、20-3、20-4(在图1中统一标记为第二金属垫片20)下表面，贴装在底布线层13的对应位置上，并将第一层组件中IGBT芯片15-1、15-2、15-3的栅极键合连接到与控制信号端子G1、G2、G3相连接的第一层组件中的金属垫片19-1、19-2、19-3的上表面。上述芯片和金属垫片厚度一致，边长范围在80μm～100μm，金属垫片可以是长方体或圆柱体，边长或直径约1mm～1.5mm。
步骤2、在步骤1得到的结构的第一层组件上表面对应位置上制作第二互连层21，可以是75～80μm的纳米银胶或95～100μm的无铅焊膏，厚度约0.5mm～0.6mm，贴装图形化制作的引线框架22，其导电互连结构如图5中实线所示，为了清晰识图，图中省略了引线框架22的机械支撑部分，没有画出。
步骤3、在步骤2得到的结构的引线框架22上表面对应位置上制作第三互连层23，可以是75～80μm的纳米银胶或95～100μm的无铅焊膏，根据图1～图5的布局结构，分别将三相逆变功率单元101下桥臂的IGBT芯片15-4、15-5、15-6的集电极、续流二极管芯片16-4、16-5、16-6的阴极，三相桥式整流单元102下桥臂的二极管芯片17-4、17-5、17-6的阴极，制动斩波单元103中IGBT芯片24的集电极，以及与三相逆变功率单元101的直流母线低压端子EU、EV、EW，与三相桥式整流单元102的直流母线低压端子N和制动斩波电路单元103的直流母线低压端子NB相连的金属垫片25-1、25-2、25-3、25-4、25-5(在图1中统一标记为第三金属垫片25)下表面，贴装在引线框架22的对应位置上；并将第二层组件中IGBT芯片15-4、15-5、15-6、IGBT芯片24的栅极键合连接到引线框22上与控制信号端子G4、G5、G6、GB相连接的位置上。上述芯片和金属垫片厚度一致，边长范围在80μm～100μm，金属垫片可以是长方体或圆柱体，边长或直径约1mm～1.5mm。
步骤4、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的顶衬板，在顶衬板下表面金属层图形化制作顶布线层29。将步骤3得到的结构的第二层组件上表面对应位置上制作第四互连层26，可以采用75～80μm的纳米银胶或95～100μm的无铅焊膏，与顶衬板的顶布线层29贴装。顶布线层29的厚度范围是18μm～20μm，平面结构如图6所示，顶布线层29与图中金属垫片25-1～25-5位置重合。三相逆变功率单元101下桥臂中的每组IGBT芯片的发射极和续流二极管芯片的阳极，通过顶布线层29分别与对应的直流母线低压端子EU、EV、EW相连的金属垫片25-1、25-2、25-3上表面连接在一起；三相桥式整流单元102下桥臂的二极管芯片17-4、17-5、17-6的阳极，通过顶布线层29与直流母线低压端子N相连的金属垫片25-4上表面连接在一起；制动斩波单元103中IGBT芯片24的发射极，通过顶布线层29与直流母线低压端子NB相连的金属垫片25-5上表面连接在一起。
步骤5、将步骤4得到的结构进行真空焊接，并塑封；将底金属层11裸露在模块管壳32外的下表面上涂覆第一导热硅脂层33，加装底热沉34；将顶金属层31裸露在模块管壳32外的上表面上涂覆第二导热硅脂层35，加装顶热沉36。其中热沉可以是铜、铝金属散热块或石墨烯基高导热散热膜，可以是翅片散热器，通过外部环境的强制风冷进行散热，也可以是翅柱散热器，通过外加水冷盒进行散热。
本发明提出的多单元功率集成模块叠装结构，将各电路单元的芯片以两层结构叠装，缩短了布线长度，又将直流母线的高、低压端子布局在模块同一侧，交替排列，减小了寄生电感，优化了功率集成模块的开关特性。将发热量最大的功率逆变单元布局在模块的中间位置，实现模块的散热优化，进而提升模块的散热性能和可靠性，同时采用双面散热结构，通过在模块的上下表面金属层外接双热沉，提高了模块纵向的散热能力。
本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，包括三相逆变功率单元(101)、三相桥式整流单元(102)和制动斩波单元(103)，其特征是，模块自下而上包括底衬板、第一互连层(14)、第一层组件、第二互连层(21)、第三互连层(23)、第二层组件、第四互连层(26)、顶衬板，由模块管壳(32)封装；所述底衬板有三层，依次为底布线层(13)、第一绝缘层(12)和底金属层(11)；所述顶衬板有三层，依次为顶布线层(29)、第二绝缘层(30)、顶金属层(31)；第一层组件下表面通过第一互连层(14)贴装在底布线层(13)的对应位置上，第一层组件上表面通过第二互连层(21)连接引线框架(22)，然后通过第三互连层(23)与第二层组件相连，第二层组件上表面通过第四互连层(26)贴装在顶布线层(29)的对应位置上；
所述三相逆变功率单元(101)包括六个第一芯片和六个第二芯片，其中每一对第一芯片和第二芯片并联组成一个基本电路单元，第一层组件包括组成三相逆变功率单元(101)上桥臂的三个基本电路单元，第二层组件包括组成三相逆变功率单元(101)下桥臂的三个基本电路单元；上桥臂的芯片正面电极与下桥臂的芯片背面电极通过引线框架(22)相连接；第一层组件还包括三相桥式整流单元(102)上桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元(103)的二极管芯片，以及与三相逆变功率单元(101)的上桥臂第一芯片的栅极控制信号端子相连接的第一金属垫片(19)、与直流母线的高压端子和第一层组件中第一芯片的控制信号端子相连接的第二金属垫片(20)；第二层组件还包括三相桥式整流单元下桥臂(102)的三个二极管芯片、制动斩波单元(103)的IGBT芯片，以及与直流母线的低压端子相连接的第三金属垫片(25)；
第一层组件中，第一芯片的集电极和第二芯片的阴极通过底布线层(13)相连接，第一芯片的发射极和第二芯片的阳极通过引线框架(22)相连接，第一芯片的栅极通过第一层键合线(27)连接到与控制信号端子相连的第一金属垫片(19)上；第二层组件中，第一芯片的集电极以及制动斩波单元(103)中的IGBT芯片的集电极和第二芯片的阴极通过引线框架(22)相连接，第一芯片的发射极以及制动斩波单元(103)中的IGBT芯片的发射极和第二芯片的阳极通过顶布线层(29)相连接，第一芯片的栅极以及制动斩波单元(103)中的IGBT芯片的栅极通过第二层键合线(28)连接到引线框架(22)上对应的控制信号端子上。
2.根据权利要求1所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，所述底金属层(11)下表面裸露在模块管壳(32)外，通过导热硅脂层外接底热沉(34)；所述顶金属层(31)上表面裸露在模块管壳(32)外，通过导热硅脂层外接顶热沉(36)。
3.根据权利要求1所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，所述三相逆变功率单元(101)布局在模块中间位置，三相桥式整流单元(102)和制动斩波单元(103)分别位于模块左右两侧。
4.根据权利要求3所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，三相桥式整流单元(102)的交流输入端子L1、L2、L3从模块就近的一侧引出；与之相邻的两侧中，三相逆变功率单元(101)的直流母线高压端子P1、三相低压端子EU、EV、EW，三相桥式整流单元(102)的直流母线高压端子P、直流母线低压端子N，以及制动斩波单元(103)的直流母线高压端子B、直流母线低压端子NB位于一侧，且高、低压端子交替排列；三相逆变功率单元(101)的功率输出端子U、V、W以及控制信号端子则位于相对的另一侧。
5.根据权利要求1所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，所述引线框架(22)的下表面通过第二互连层(21)与第一层组件的上表面相连，引线框架(22)的上表面通过第三互连层(23)与第二层组件的下表面相连。
6.根据权利要求1所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，所述三相逆变功率单元(101)是由六组硅基IGBT芯片和硅基续流二极管芯片组成的Si功率模块，此时第一芯片是指硅基IGBT芯片，第二芯片是指硅基续流二极管芯片；或者，所述三相逆变功率单元(101)是由六组硅基IGBT芯片与碳化硅基肖特基势垒二极管芯片组成的Si-SiC混合模块，此时第一芯片是指硅基IGBT芯片，第二芯片是指碳化硅基肖特基势垒二极管芯片；或者，所述三相逆变功率单元(101)是由六个碳化硅基MOSFET芯片组成的全SiC模块，此时每个基本电路单元中的第一芯片和第二芯片合并为一个碳化硅基MOSFET芯片。
7.根据权利要求1所述的多单元功率集成模块的低寄生叠装结构，其特征在于，所述底热沉(34)和顶热沉(36)采用铜、铝金属散热块，或石墨烯基散热膜，或翅片散热器、翅柱散热器。
8.多单元功率集成模块的封装工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的底衬板，在底衬板上表面金属层图形化制作底布线层(13)，在底布线层(13)上对应第一层组件的位置上制作第一互连层(14)，贴装第一层组件，并将第一层组件中芯片的栅极键合连接到与控制信号端子相连接的第一层组件中的金属垫片上；所述第一层组件包括三相逆变功率单元(101)上桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元(102)上桥臂的三个二极管芯片、制动斩波单元(103)的二极管芯片，以及与三相逆变功率单元(101)的上桥臂第一芯片的栅极控制信号端子相连接的第一金属垫片(19)、与直流母线的高压端子和第一层组件中第一芯片控制信号端子相连接的第二金属垫片(20)；
步骤2、在第一层组件上表面的设定位置上制作第二互连层(21)，贴装图形化制作的引线框架(22)；
步骤3、在引线框架(22)上表面设定位置上制作第三互连层(23)，贴装第二层组件，并将第二层组件中芯片的栅极键合连接到引线框架(22)上与控制信号输出端子相连接的位置；所述第二层组件包括三相逆变功率单元(101)下桥臂的三组芯片、三相桥式整流单元下桥臂(102)的三个二极管芯片、制动斩波单元(103)的IGBT芯片，以及与直流母线的低压端子相连接的第三金属垫片(25)；
步骤4、准备上下表面为金属层中间为绝缘层的顶衬板，在顶衬板下表面金属层图形化制作顶布线层(29)，在第二层组件上表面设定位置制作第四互连层(26)，与顶衬板的顶布线层(29)贴装在一起；
步骤5、将步骤4得到的结构进行真空焊接并塑封，留底衬板下表面金属层和顶衬板上表面金属层裸露在外，在上、下表面分别涂覆导热硅脂，加装热沉。
9.如权利要求8所述的多单元功率集成模块的封装工艺，其特征在于，步骤1所述底衬板和步骤4所述顶衬板的布线层厚度范围是18μm～20μm。
10.如权利要求8所述的多单元功率集成模块的封装工艺，其特征在于，所使用的芯片厚度一致，边长范围是80μm～100μm，所使用的金属垫片厚度与芯片厚度相同。
CN202111057400.2A 2021-09-09 2021-09-09 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺 Active CN113764386B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111057400.2A CN113764386B (zh) 2021-09-09 2021-09-09 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111057400.2A CN113764386B (zh) 2021-09-09 2021-09-09 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113764386A true CN113764386A (zh) 2021-12-07
CN113764386B CN113764386B (zh) 2023-04-07

Family

ID=78794421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111057400.2A Active CN113764386B (zh) 2021-09-09 2021-09-09 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113764386B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007142038A1 (ja) * 2006-06-09 2007-12-13 Honda Motor Co., Ltd. 半導体装置
CN109920785A (zh) * 2019-03-13 2019-06-21 黄山学院 双面散热ipm混合模块的封装结构及加工工艺
CN110854103A (zh) * 2019-11-09 2020-02-28 北京工业大学 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法
CN111916438A (zh) * 2020-08-25 2020-11-10 华中科技大学 一种碳化硅维也纳整流器半桥模块的封装结构
CN212848395U (zh) * 2020-09-07 2021-03-30 华中科技大学 一种功率模块
WO2021088197A1 (zh) * 2019-11-09 2021-05-14 北京工业大学 一种碳化硅mosfet模块的封装结构和制作方法
CN113130455A (zh) * 2021-04-20 2021-07-16 黄山学院 一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007142038A1 (ja) * 2006-06-09 2007-12-13 Honda Motor Co., Ltd. 半導体装置
CN109920785A (zh) * 2019-03-13 2019-06-21 黄山学院 双面散热ipm混合模块的封装结构及加工工艺
CN110854103A (zh) * 2019-11-09 2020-02-28 北京工业大学 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法
WO2021088197A1 (zh) * 2019-11-09 2021-05-14 北京工业大学 一种碳化硅mosfet模块的封装结构和制作方法
CN111916438A (zh) * 2020-08-25 2020-11-10 华中科技大学 一种碳化硅维也纳整流器半桥模块的封装结构
CN212848395U (zh) * 2020-09-07 2021-03-30 华中科技大学 一种功率模块
CN113130455A (zh) * 2021-04-20 2021-07-16 黄山学院 一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN113764386B (zh) 2023-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110854103B (zh) 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法
CN102664177B (zh) 一种双面冷却的功率半导体模块
CN107195623B (zh) 一种双面散热高可靠功率模块
CN113130455B (zh) 一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺
CN109887909B (zh) 基于石墨烯的ipm混合模块封装结构及加工工艺
CN104716128A (zh) 功率模块、电源变换器以及功率模块的制造方法
CN1797765A (zh) 功率模块、相脚和三相变换器
CN112543994B (zh) 半导体装置
CN109817612B (zh) 一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构
CN111627899B (zh) 基于一种dbc布局的集成igbt封装结构
CN111540730A (zh) 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
US20210407875A1 (en) Semiconductor device
WO2022127060A1 (zh) 一种功率器件封装结构及电力电子设备
CN203607394U (zh) 功率集成模块
CN115173729A (zh) 一种智能功率模块
CN114664810A (zh) 一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块
CN220155541U (zh) 一种多芯片串联的igbt模块封装结构
CN113782504A (zh) 一种集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法
CN117080195A (zh) 级联型GaN HEMT器件封装结构
CN113764386B (zh) 多单元功率集成模块的低寄生叠装结构及封装工艺
CN217822755U (zh) 采用石墨铜垫块的双面散热模块的封装结构和电动汽车
CN115863333A (zh) 一种低寄生电感的Si-SiC功率集成模块
CN116504772A (zh) 一种智能功率模块及其封装方法
CN110911395A (zh) 双面散热igbt模块
CN113629045B (zh) 三相逆变功率模块的增材制造工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20220629

Address after: 245061 No. 10, Wenfeng West Road, Huizhou District, Huangshan City, Anhui Province

Applicant after: GOOGE THERMAL COOLING TECHNOLOGY CO.,LTD.

Address before: 245061 No. 10, Wenfeng West Road, Chengbei Industrial Park, Huizhou District, Huangshan City, Anhui Province

Applicant before: GOOGE THERMAL COOLING TECHNOLOGY CO.,LTD.

Applicant before: Huangshan University

TA01 Transfer of patent application right
CB02 Change of applicant information

Address after: 245061 No. 10, Wenfeng West Road, Huizhou District, Huangshan City, Anhui Province

Applicant after: Huangshan Gujie Co.,Ltd.

Address before: 245061 No. 10, Wenfeng West Road, Huizhou District, Huangshan City, Anhui Province

Applicant before: GOOGE THERMAL COOLING TECHNOLOGY CO.,LTD.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant