CN114121909A - 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法 - Google Patents

一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114121909A
CN114121909A CN202010883663.8A CN202010883663A CN114121909A CN 114121909 A CN114121909 A CN 114121909A CN 202010883663 A CN202010883663 A CN 202010883663A CN 114121909 A CN114121909 A CN 114121909A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge arm
copper layer
lower bridge
chip
electrode
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.)
Pending
Application number
CN202010883663.8A
Other languages
English (en)
Inventor
陈材
黄志召
张弛
刘新民
康勇
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.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
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 Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202010883663.8A priority Critical patent/CN114121909A/zh
Publication of CN114121909A publication Critical patent/CN114121909A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • H01L25/07—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 H01L29/00
    • H01L25/071—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 H01L29/00 the devices being arranged next and on each other, i.e. mixed assemblies
    • 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
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/64—Impedance arrangements
    • H01L23/642—Capacitive arrangements
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item

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)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法，属于功率半导体器件领域。该封装结构及封装方法可以应用在硅功率模块以及碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体高温应用的功率模块中；封装结构包括：散热基板，一体化基板，附着于一体化基板上的功率单元、驱动电阻、热敏电阻、解耦电容、键合线、灌封胶、外壳及端子；该封装方法在封装材料上采用耐高温和高导热材料，使得整个封装结构实现高温环境下的应用。本发明的各种封装材料方案，可以使得模块在高温工作条件下保持良好的散热性能和机械性能，模块长期工作温度达到200℃。

Description

一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法
技术领域
本发明属于功率半导体器件领域，更具体地，涉及一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法。
背景技术
随着交通运输、航空航天等领域的快速发展，对现有的电源功率模块及电源系统提出了新的要求。电源系统中功率模块开关管开关速度不断上升，开关损耗不断下降，可以使得变换器的工作频率不断上升，体积不断减小。
另一方面，宽禁带功率半导体功率器件相对于传统硅基功率半导体器件来说，具有更小的体积、更低的导通损耗、更高的击穿电压、导热系数以及更高的工作温度，因此宽禁带功率半导体器件适用于高压、高温、高频的应用场景中，契合电力电子技术的发展趋势。
然而体积减小会造成热量的聚集，尤其针对现有的多芯片并联的功率模块，封装结构和材料都需要经过适当的选取和设计，以满足体积减小带来的温升问题以及高温极端工况条件下的应用。材料选取上要综合考虑材料的耐高温特性和导热特性，采用的材料具有低CTE(热膨胀系数)以及低热应力，同时还要考虑各材料之间的热应力匹配问题；导热性能可以改善功率芯片工作时产生的热量的散热途径，降低工作温升。如何实现多芯片并联的功率模块的高温封装，对于充分发挥功率器件的优势，以及保证功率器件在极端严苛条件下的高温应用具有重要的意义。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法，旨在解决现有多芯片并联的功率模块的高温应用问题。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构，包括一体化基板和附着于所述一体化基板上的多个功率单元；
所述一体化基板包括上表面导电铜层、中间绝缘层和下表面层；所述上表面导电铜层边缘设有通孔，所述中间绝缘层的材料为AlN或Si3N4，所述下表面层包括金属层和位于所述金属层上的金属圆柱；
所述功率单元包括上桥臂开关管、上桥臂二极管、下桥臂开关管和下桥臂二极管；所述上桥臂开关管由N个上桥臂开关管芯片并联构成，所述上桥臂二极管由M个上桥臂SBD芯片并联构成，所述下桥臂开关管由N个下桥臂开关管芯片并联构成，所述下桥臂二极管由M个下桥臂SBD芯片构成；其中，N为大于等于2的正数，M为大于等于0的整数；
每个所述功率单元上焊接有两个相互并联的解耦电容。
进一步地，所述上表面导电铜层包括正极铜层、输出极铜层、负极铜层、上桥臂驱动信号铜层、上桥臂驱动电阻铜层、上桥臂驱动信号回线铜层、下桥臂驱动信号铜层、下桥臂驱动电阻铜层和下桥臂驱动信号回线铜层；
所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片为MOSFET芯片；
所述上桥臂开关管芯片的漏极和上桥臂SBD芯片的阳极贴装焊接在所述正极铜层上；每个上桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述上桥臂驱动电阻铜层上，源极通过铝带键合连接至所述输出极铜层上，同时通过引线键合连接至所述上桥臂驱动信号回线铜层上；
所述下桥臂开关管芯片的漏极和下桥臂SBD芯片的阴极贴装焊接至所述输出极铜层上；每个下桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述下桥臂驱动电阻铜层上，源极通过铝带键合连接至所述负极铜层上，同时通过引线键合连接至所述下桥臂驱动信号回线铜层上。
进一步地，所述上表面导电铜层包括正极铜层、输出极铜层、负极铜层、上桥臂驱动信号铜层、上桥臂驱动电阻铜层、上桥臂驱动信号回线铜层、下桥臂驱动信号铜层、下桥臂驱动电阻铜层和下桥臂驱动信号回线铜层；
所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片为IGBT芯片；
所述上桥臂开关管芯片的集电极和上桥臂SBD芯片的阳极贴装焊接在所述正极铜层上；每个上桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述上桥臂驱动电阻铜层上，发射极通过铝带键合连接至所述输出极铜层上，同时通过引线键合连接至所述上桥臂驱动信号回线铜层上；
所述下桥臂开关管芯片的集电极和下桥臂SBD芯片的阴极贴装焊接至所述输出极铜层上；每个下桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述下桥臂驱动电阻铜层上，发射极通过铝带键合连接至所述负极铜层上，同时通过引线键合连接至所述下桥臂驱动信号回线铜层上。
进一步地，所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片的栅极均连接有驱动电阻；
所述驱动电阻的一个电极焊接至上桥臂驱动信号铜层或下桥臂驱动信号铜层上，另一个电极相应地焊接至上桥臂驱动电阻铜层或下桥臂驱动电阻铜层上。
进一步地，所述封装结构还包括热敏电阻，所述上表面导电铜层还包括热敏电阻焊接铜层；
所述热敏电阻的两个电极分别焊接至所述热敏电阻焊接铜层上。
进一步地，还包括外壳；所述外壳采用PPS或PEEK高温塑料；
所述外壳与一体化基板通过高温硅胶固定在一起，在所述外壳与上表面导电铜层之间的空间中，灌注有高温绝缘保护凝胶。
进一步地，还包括功率端子；在所述功率端子的底部设置有开槽和开孔。
本发明的另一方面还提供了一种上述封装结构的封装方法，包括如下步骤：
根据所述封装结构刻蚀所述一体化基板的上表面导电铜层，并且进行表面镀镍处理；
在所述上表面导电铜层焊接位置上印刷高温焊料，再在所述高温焊料上放置待焊接的功率单元、驱动电阻、热敏电阻和解耦电容，然后通过治具进行固定，并采用真空回流焊焊接；
采用铝带键合工艺，将功率单元的电极与一体化基板相应铜层进行电连接，通过超声焊接的方式将所述功率端子超声焊接至一体化基板相应铜层上；
采用模具对模块内部器件进行凝胶的灌封，最后将外壳粘结至一体化基板。
进一步地，所述高温焊料为纳米银膏，所述高温焊料的图形为多边形图案。
进一步地，采用铝带键合工艺时，铝带宽度根据芯片电极的面积和所通过电流的大小确定。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1)本发明封装结构中所采用的一体化基板，上部铜层作为芯片连接的导电层、中间陶瓷作为绝缘和导热层、下部集成了散热器结构，该结构减小了芯片到外部的热阻，提升了模块的散热性能；在功率端子上设置了开槽和底部圆孔，提高其高温下的机械性能；基板上部的导电铜层边缘进行了开孔处理、芯片下的焊料层采用多边形形状以及芯片间和芯片至导电铜层的连接采用了铝带连接等各种封装材料方案，可以使得模块在高温工作条件下保持良好的散热性能和机械性能，模块长期工作温度达到200℃。
2)本发明提供的多芯片并联的功率模块，各MOSFET芯片栅极连接了一个驱动电阻，使得并联的开关管之间的开关速度一致；各功率芯片的源极(或发射极)均采用Kelvin连接方式，降低共源电感，起到有效降低驱动回路与功率回路之间的耦合的作用，进而提高驱动信号的稳定性。
3)本发明提供的多芯片并联功率模块，其上焊有解耦电容，将端子电感动态解耦，从而降低了并联功率芯片在开关过程中的的电压尖峰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高温功率模块的封装结构的外部结构示意图；
图2是本发明实施例提供的封装结构的外壳与灌封胶示意图；
图3是本发明实施例提供的封装结构的无源器件布置示意图；
图4是本发明实施例提供的封装结构的内部连接示意图；
图5是本发明实施例提供的封装结构的功率芯片布置示意图；
图6是本发明实施例提供的封装结构的一体化基板结构示意图；
图7是本发明实施例提供的封装结构的功率端子示意图；
图8是本发明实施例提供的封装结构的芯片焊料图案示意图；
图9是本发明实施例提供的封装结构的工艺流程图。
图10是本发明实施例提供的半桥电路结构示意图。
附图标记：1为主功率负电极端子、2为主功率正电极端子、3和4为主功率输出端子、5为上桥臂驱动信号端子、6为上桥臂驱动信号回线端子，7和10为检测信号端子、8和9为热敏电阻端子、11为下桥臂驱动信号回线端子、12为下桥臂驱动信号端子、13为外壳、14为凝胶、15和16为驱动电阻、17为热敏电阻、18和19为解耦电容、20为上桥臂开关管源极键合线、21为上桥臂开关管栅极键合线、22为下桥臂开关管源极键合线、23为下桥臂开关管栅极键合线、24和25为上下桥功率芯片连接铝带、26为上桥臂开关管、27为上桥臂二极管、28为下桥臂开关管、29为下桥臂二极管、30为上桥臂驱动信号铜层、31为上桥臂驱动信号回线铜层、32为下桥臂驱动信号铜层、33为下桥臂驱动信号回线铜层、34为正电极铜层、35为输出电极铜层、36为负电极铜层、37为热敏电阻焊接铜层、38为上桥臂驱动电阻铜层、39为下桥臂驱动电阻铜层、40为一体化基板、40-1为一体化基板中层绝缘陶瓷层、40-2为一体化基板下层散热结构、40-3为一体化基板上层铜层边缘通孔、41为功率端子底部开槽、42为功率端子底部开孔、43为二极管焊接银膏图案、44为开关管焊接银膏图案。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现所述目的，按照本发明实施例的一个方面，提供了一种多芯片并联的功率模块的封装结构，包括：一体化基板，附着于所述基板上的功率单元，附着于所述基板上的解耦电容；所述功率单元组成半桥电路结构，包括：上桥臂开关管、上桥臂二极管、下桥臂开关管和下桥臂二极管，所述上桥臂开关管由N个上桥臂开关管芯片并联构成，上桥臂二极管由M个上桥臂SBD(Schottky Barrier Diode)芯片并联构成，下桥臂开关管由N个下桥臂开关管芯片并联构成，下桥臂二极管由M个下桥臂SBD芯片构成；其中，N为大于等于2的正数；其中，M为大于等于0的整数，M等于0时，表示该半桥电路中没有反并联二极管；
开关管芯片的漏极(MOSFET)或集电极(IGBT)和SBD的阴极、驱动电阻、热敏电阻、解耦电容焊接在一体化基板上，开关管芯片的源极(MOSFET)或发射极(IGBT)、SBD芯片的阳极，与一体化基板上表面相应的铜层之间通过铝带键合连接，栅极通过键合线与一体化基板相应的铜层连接，一体化基板与外壳通过高温硅胶固定在一起；在外壳与一体化基板上表面之间的空间中，灌注有高温绝缘保护凝胶。
所述开关管芯片可以采用硅MOSFET芯片、IGBT芯片、碳化硅MOSFET芯片或氮化镓MOSFET芯片等；优选地，选用碳化硅MOSFET芯片，实现更高的开关速度和工作温度。
所述SBD芯片可以采用硅SBD芯片或碳化硅SBD芯片；优选地，使用碳化硅SBD芯片。
优选地，所述功率模块外壳采用目前广泛使用PPS或PEEK高温塑料。
优选地，所述端子可通过焊接与一体化基板上表面铜层连接，推荐采用超声波焊接，使其与一体化基板上表面铜层构成机械、电气连接，这种方法构成的连接可靠性更高。
优选地，所述所述一体化基板上表面层和所述下表面层的材料均为铜，所述中间层的材料为绝缘材料；所述上表面导电铜层优选厚度0.2-0.3mm，下表面散热结构由厚度0.3-0.5mm的金属层和其上的pin-fin金属圆柱组成金属圆柱直径2-3mm，高度5-10mm；所述中间层绝缘优选材料为AlN或Si3N4；所述上表面导电铜层包括正极金属层、负极金属层和输出极金属层，三个铜层分别呈块状；上桥臂开关管芯片和上桥臂SBD芯片在正极铜层上由左到右排成两行；下桥臂开关管芯片和下桥臂SBD芯片在输出极铜层上由左到右排成两行。
所述一体化基板上层铜层可分为：正极铜层、输出极(AC)铜层、负极铜层、热敏电阻焊接铜层、上桥臂驱动信号铜层、上桥臂驱动电阻铜层、上桥臂驱动信号回线铜层、下桥臂驱动信号铜层、下桥臂驱动电阻铜层、下桥臂驱动信号回线铜层；各铜层之间的间距大于功率模块最大工作电压对应的电气绝缘距离。
在几百伏以上的工作电压场合，所述铜层之间的间距应不小于1mm，优选为1mm。
所述贴装焊接在一体化基板上的热敏电阻，其两个电极分别焊接至热敏电阻焊接铜层的两个小铜块上，通过端子引出外壳。
焊接在一体化基板上的功率芯片呈薄片状长方体，上方下方均覆有金属层，中间为半导体介质SiC。开关管芯片上方有源极和栅极金属层，下方为漏极金属层；二极管芯片上方为阴极金属层，下方为阳极金属层。位于开关管芯片上方的源极和位于二极管芯片上方的阴极通过铝带键合连接至一体化基板的上表面铜层，构成了半桥电路结构。上桥臂开关管由四个上桥臂开关管芯片并联构成，同时反并联上桥臂二极管；上桥臂二极管由四个上桥臂SBD芯片并联构成；下桥臂开关管由四个下桥臂开关管芯片构成，同时反并联下桥臂二极管；下桥臂二极管由四个下桥臂SBD芯片并联构成；
上桥臂开关管芯片的漏极(或集电极)和上桥臂SBD芯片的阳极贴装焊接在一体化基板的正极铜层上；
每个上桥臂开关管芯片的栅极，通过引线键合连接至上桥臂驱动电阻铜层的小铜块上；
每个上桥臂开关管芯片的源极(或发射极)通过铝带键合连接至一体化基板的输出极铜层上，同时通过一根引线键合连接至上桥臂驱动信号回线铜层上；
下桥臂开关管芯片的漏极(或集电极)和下桥臂SBD芯片的阴极贴装焊接至一体化基板的输出极铜层上；
每个下桥臂开关管芯片的栅极，通过引线键合连接至下桥臂驱动电阻铜层上；
每个下桥臂开关管芯片的源极(或发射极)通过铝带键合连接至一体化基板的负极铜层上，同时通过一根引线键合连接至下桥臂驱动信号回线铜层上；
所述上下桥臂每个开关管芯片都配有驱动电阻，其两个电极分别焊接至上下桥臂驱动信号铜层和对应的上下桥臂驱动电阻铜层上，与上下桥臂四个开关管芯片的栅极电极构成电气连接。
所述开关管芯片的栅极各自连接了一个驱动电阻，使得并联的开关管之间的开关速度一致；为了使得外加的驱动电阻阻值有更大的可选性，该驱动电阻的阻值应尽可能小，优选为1～10Ω。
优选地，开关管芯片的源极(或发射极)键合线采用Kelvin连接方式，降低了驱动回路与功率回路之间的耦合作用。
所述封装结构中，上下桥臂开关管各自与上下桥臂二极管反并联，形成半桥电路结构；
一体化基板的正极铜层通过主功率正电极端子，构成半桥电路结构的正电极；
一体化基板的负极铜层通过主功率负电极端子，构成半桥电路结构的负电极；
一体化基板的输出极铜层通过主功率输出端子，构成半桥电路结构的输出电极；
上、下桥臂驱动信号铜层通过上桥臂驱动信号端子，构成半桥电路结构的上桥臂栅极驱动电极；
上、下桥臂驱动信号回线铜层通过上桥臂驱动信号回线端子，构成半桥电路结构的上桥臂源极(或发射极)驱动电极；
优选地，所述单个子模块一体化基板块上焊接有两个解耦电容，两个电容构成并联的关系，可以提供更好的解耦效果。
优选地，所述解耦电容为低等效串联电感(ESL)的多层陶瓷电容，使得其动态解耦特性更好；单个电容的容值为几十纳亨级别。
为实现本发明目的，按照本发明实施例的另一方面，提供了一种多芯片并联的功率模块的封装方法，包括如下步骤：
(1)根据拟封装的功率模块的结构，制备一体化基板，铜层及下层散热器圆柱结构采用烧结工艺和中间陶瓷形成致密连接，刻蚀基板的上层铜层，并且进行表面镀镍处理；
(2)在一体化基板上表面铜层焊接位置上印刷纳米银膏，芯片底部银膏图形为多边形图案，再在纳米银膏上放置要焊接的功率芯片、驱动电阻、热敏电阻、解耦电容；然后通过治具进行固定，最后采用真空回流焊焊接，将所有器件都焊接到一体化基板的对应位置上；
(3)采用铝带键合工艺，将功率芯片的上表面电极与一体化基板的相应铜层进行电连接，将铝带宽度根据芯片电极的面积和所通过电流的大小确定；通过超声焊接的方式将各端子超声焊接至一体化基板相应铜层上；
(4)采用模具对模块内部器件进行凝胶的灌封，最后将外壳粘结至一体化基板。
优选地，选用高温焊料，高温焊料优选为纳米银膏、烧结温度为280℃。
优选地，所述功率模块的封装方法，其步骤(3)中通过铝带键合工艺的方法具体为：将铝带的一端通过超声键合工艺连接到第一个焊点上，将引线的另一端通过超声键合工艺连接到另外一个焊点上，从而在两个焊点之间形成电连接。
本发明中封装结构所使用的材料的热学、力学及电学性能如下表所示，其中氮化硅陶瓷和碳化硅芯片具有相近的热膨胀系数，使得两者在受热时产生的形变相近，使得两者间的热应力更小，同时氮化硅陶瓷高抗弯强度，使得其高温下的机械性能也能得到长期保证。纳米银作为焊膏材料，对比传统锡合金材料，具有更高的机械强度和热导率，更适合高温下的应用。PEEK塑料具有较低的热膨胀系数和较高的抗弯强度，保证了高温下模块外部的机械强度。采用铝带键合加大了芯片表面连接面的面积，降低了接触电阻和热阻，使得铝带在通流时，相比于传统的键合线连接面具有更低的温升，更适合高温下的应用。
Figure BDA0002653800120000101
Figure BDA0002653800120000111
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
如图1所示，是本发明实施例提供的高温功率模块的封装结构的外部结构示意图；图2是本发明实施例提供的封装结构的外壳与灌封胶示意图。本实施例外壳是目前广泛使用PPS或PEEK高温塑料；主功率正电极端子2、主功率负电极端子1、主功率输出端子3和4、上桥臂驱动信号端子5、上桥臂驱动信号回线端子6、下桥臂驱动信号端子12、下桥臂驱动信号回线端子11、热敏电阻端子8和9以及检测信号端子7和10，均嵌入在外壳13中；外壳13通过硅胶与一体化基板40固定在一起；所有内部器件均浸没在凝胶14块体中。
图3是本发明实施例提供的封装结构的无源器件布置示意图；图4是本发明实施例提供的封装结构的内部连接示意图；图5是本发明实施例提供的封装结构的功率芯片布置示意图。驱动电阻15和16、热敏电阻17、解耦电容18和19、上桥臂开关管26、上桥臂二极管27、下桥臂二极管29、下桥臂开关管28均通过纳米银焊膏焊接在一体化基板的上层铜层上，芯片上表面通过铝带24和25和不同主功率铜层34-36产生电气连接，芯片的驱动栅极和源极部分通过键合线20-23和驱动信号铜层30和32以及驱动回线铜层31和33进行连接，最终形成图10所示的半桥电路结构。
如图3-5所示，在开关动态过程中，解耦电容18和19实现了解耦的效果，对主功率正电极端子2、主功率负电极端子1的寄生电感起到了动态解耦的作用，使得开关管芯片关断过程中承受的电压尖峰减小。上下桥臂开关管的源极(或集电极)驱动引线均采用Kelvin连接方式，降低了驱动回路与功率回路之间的耦合作用；各开关管芯片的栅极均外连了一个驱动电阻15和16，驱动电阻阻值为1Ω，使得并联的开关管之间的开关时刻保持一致。
上、下桥臂各包含4个开关管芯片和4个二极管；驱动电阻15和16包含上下桥臂的各4个电阻，热敏电阻17采用NTC型，最高工作温度250℃。
一体化基板上层金属采用无氧铜材料，表面进行镀镍处理，增强表面的抗氧化性和利于超声键合。
图6是本发明实施例提供的封装结构的一体化基板结构示意图；该基板以氮化铝或氮化硅陶瓷为中层绝缘材料，阻断模块内的电气连接，上层铜层和下层金属散热器结构采用金属钎焊或烧结工艺一次成型，上层铜层作为模块内电气连接的一部分下层金属结构作为散热器，可配合风冷和水冷设备对基板上的功率芯片以及电阻电容进行热传导，该一体化基板集成了散热结构，降低了芯片至散热器的热阻，省去了传统功率模块中的散热基板和TIM层，可有效降低热阻达30％；上层铜层边缘的开孔40-3可以降低导电铜层在高温工作下的翘曲几率，开孔的位置距铜层边缘0.1-0.5mm，直径0.1-1mm。
图7是本发明实施例提供的封装结构的功率端子示意图；功率端子底部的开槽41可以减小高温下端子所受的应力，增加其机械强度，底部开孔42有助于释放高温下的界面应力，增加底部焊接的连接强度。
图8是本发明实施例提供的封装结构的芯片焊料图案示意图；采用多边形的图案进行焊料的印刷，可以减小焊料边缘在高温下受到的应力大小，增加焊料在高温条件下的寿命。
图9是本发明实施例提供的封装结构的工艺流程图，具体包括以下步骤：
(1)根据拟封装的功率模块的结构，制备一体化基板，铜层及下层散热器圆柱结构采用烧结工艺和中间陶瓷形成致密连接，刻蚀基板的上层铜层，并且进行表面镀镍处理；
(2)在一体化基板上表面铜层焊接位置上印刷纳米银膏，芯片底部银膏图形为多边形图案，再在纳米银膏上放置要焊接的功率芯片、驱动电阻、热敏电阻、解耦电容；然后通过治具进行固定，最后采用真空回流焊焊接，将所有器件都焊接到一体化基板的对应位置上；
(3)采用铝带键合工艺，将功率芯片的上表面电极与一体化基板的相应铜层进行电连接，将铝带宽度根据芯片电极的面积和所通过电流的大小确定；通过超声焊接的方式将各端子超声焊接至一体化基板相应铜层上；
(4)采用模具对模块内部器件进行凝胶的灌封，最后将外壳粘结至一体化基板。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构，其特征在于，包括一体化基板和附着于所述一体化基板上的多个功率单元；
所述一体化基板包括上表面导电铜层、中间绝缘层和下表面层；所述上表面导电铜层边缘设有通孔，所述中间绝缘层的材料为A1N或Si3N4，所述下表面层包括金属层和位于所述金属层上的金属圆柱；
所述功率单元包括上桥臂开关管、上桥臂二极管、下桥臂开关管和下桥臂二极管；所述上桥臂开关管由N个上桥臂开关管芯片并联构成，所述上桥臂二极管由M个上桥臂SBD芯片并联构成，所述下桥臂开关管由N个下桥臂开关管芯片并联构成，所述下桥臂二极管由M个下桥臂SBD芯片构成；其中，N为大于等于2的正数，M为大于等于0的整数；
每个所述功率单元上焊接有两个相互并联的解耦电容。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述上表面导电铜层包括正极铜层、输出极铜层、负极铜层、上桥臂驱动信号铜层、上桥臂驱动电阻铜层、上桥臂驱动信号回线铜层、下桥臂驱动信号铜层、下桥臂驱动电阻铜层和下桥臂驱动信号回线铜层；
所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片为MOSFET芯片；
所述上桥臂开关管芯片的漏极和上桥臂SBD芯片的阳极贴装焊接在所述正极铜层上；每个上桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述上桥臂驱动电阻铜层上，源极通过铝带键合连接至所述输出极铜层上，同时通过引线键合连接至所述上桥臂驱动信号回线铜层上；
所述下桥臂开关管芯片的漏极和下桥臂SBD芯片的阴极贴装焊接至所述输出极铜层上；每个下桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述下桥臂驱动电阻铜层上，源极通过铝带键合连接至所述负极铜层上，同时通过引线键合连接至所述下桥臂驱动信号回线铜层上。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述上表面导电铜层包括正极铜层、输出极铜层、负极铜层、上桥臂驱动信号铜层、上桥臂驱动电阻铜层、上桥臂驱动信号回线铜层、下桥臂驱动信号铜层、下桥臂驱动电阻铜层和下桥臂驱动信号回线铜层；
所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片为IGBT芯片；
所述上桥臂开关管芯片的集电极和上桥臂SBD芯片的阳极贴装焊接在所述正极铜层上；每个上桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述上桥臂驱动电阻铜层上，发射极通过铝带键合连接至所述输出极铜层上，同时通过引线键合连接至所述上桥臂驱动信号回线铜层上；
所述下桥臂开关管芯片的集电极和下桥臂SBD芯片的阴极贴装焊接至所述输出极铜层上；每个下桥臂开关管芯片的栅极通过引线键合连接至所述下桥臂驱动电阻铜层上，发射极通过铝带键合连接至所述负极铜层上，同时通过引线键合连接至所述下桥臂驱动信号回线铜层上。
4.如权利要求1-3任一项所述的封装结构，其特征在于，所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片的栅极均连接有驱动电阻；
所述驱动电阻的一个电极焊接至上桥臂驱动信号铜层或下桥臂驱动信号铜层上，另一个电极相应地焊接至上桥臂驱动电阻铜层或下桥臂驱动电阻铜层上。
5.如权利要求1-3任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括热敏电阻，所述上表面导电铜层还包括热敏电阻焊接铜层；
所述热敏电阻的两个电极分别焊接至所述热敏电阻焊接铜层上。
6.如权利要求5所述的封装结构，其特征在于，还包括
外壳；所述外壳采用PPS或PEEK高温塑料；
所述外壳与一体化基板通过高温硅胶固定在一起，在所述外壳与上表面导电铜层之间的空间中，灌注有高温绝缘保护凝胶。
7.如权利要求6所述的封装结构，其特征在于，还包括
功率端子；在所述功率端子的底部设置有开槽和开孔。
8.一种如权利要求7所述的封装结构的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据所述封装结构刻蚀所述一体化基板的上表面导电铜层，并且进行表面镀镍处理；
在所述上表面导电铜层焊接位置上印刷高温焊料，再在所述高温焊料上放置待焊接的功率单元、驱动电阻、热敏电阻和解耦电容，然后通过治具进行固定，并采用真空回流焊焊接；
采用铝带键合工艺，将功率单元的电极与一体化基板相应铜层进行电连接，通过超声焊接的方式将所述功率端子超声焊接至一体化基板相应铜层上；
采用模具对模块内部器件进行凝胶的灌封，最后将外壳粘结至一体化基板。
9.如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述高温焊料为纳米银膏，所述高温焊料的图形为多边形图案。
10.如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，采用铝带键合工艺时，铝带宽度根据芯片电极的面积和所通过电流的大小确定。
CN202010883663.8A 2020-08-27 2020-08-27 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法 Pending CN114121909A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010883663.8A CN114121909A (zh) 2020-08-27 2020-08-27 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010883663.8A CN114121909A (zh) 2020-08-27 2020-08-27 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114121909A true CN114121909A (zh) 2022-03-01

Family

ID=80374764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010883663.8A Pending CN114121909A (zh) 2020-08-27 2020-08-27 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114121909A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115622474A (zh) * 2022-12-15 2023-01-17 山西省机电设计研究院有限公司 密封水冷电机控制器
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

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115622474A (zh) * 2022-12-15 2023-01-17 山西省机电设计研究院有限公司 密封水冷电机控制器
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10943845B2 (en) Three-dimensional packaging structure and packaging method of power devices
US11139278B2 (en) Low parasitic inductance power module and double-faced heat-dissipation low parasitic inductance power module
US7948069B2 (en) Surface mountable hermetically sealed package
CN106997871B (zh) 一种功率模块的封装结构
CN110854103B (zh) 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法
CN110838480B (zh) 一种碳化硅mosfet模块的封装结构和制作方法
CN107591377B (zh) 一种功率器件的多dbc封装结构及封装方法
JP2009177038A (ja) パワー半導体モジュール
CN111916438B (zh) 一种碳化硅维也纳整流器半桥模块的封装结构
CN113130455A (zh) 一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺
CN114121909A (zh) 一种多芯片并联的高温功率模块的封装结构及封装方法
CN115985899A (zh) 一种功率半导体模块的封装结构及封装方法
CN113497014A (zh) 一种多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法
CN216145614U (zh) 智能功率模块
KR102490612B1 (ko) 전력용 반도체 모듈
CN220155541U (zh) 一种多芯片串联的igbt模块封装结构
CN113838821A (zh) 一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法
CN114121907A (zh) 一种全碳化硅双面散热模块的封装结构及其封装方法
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
CN112038245B (zh) 一种功率模块内部绑定线的连接工艺
CN210379025U (zh) 功率器件封装结构
CN115116986A (zh) 一种3d双面散热封装结构的功率模块
CN220556592U (zh) 一种dpim三相整流模块
CN219204353U (zh) 一种功率模块和电子设备
CN213816149U (zh) 一种碳化硅功率模块结构

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