CN115000041A - 具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，第一半导体芯片、第三金属信号端子、第四金属信号端子及第三金属功率端子位于金属绝缘陶瓷导电极板的一侧；第二半导体芯片、第二金属功率端子、第一金属信号端子及第二金属信号端子位于金属绝缘陶瓷导电极板的另一侧。该封装方法的结构简单，寄生参数、热阻与热机械应力极低，并且具备直接测量封装内芯片电压的能力，因此采用该封装结构的功率器件/模块能够在高温、高频的环境下安全高效运行。

Description

具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构
技术领域
本发明属于半导体封装技术领域，涉及一种具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构。
背景技术
电力电子功率器件正朝着高频、高工作温度、高功率密度的方向发展。比如，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带功率半导体技术相对于传统硅基功率半导体有了革命性的进步。但是，在功率半导体技术发展的同时，相应的封装技术却没有跟上。相对落后的功率半导体技术存在着封装寄生参数大，热学参数大，无法高温工作以及可靠性低的缺点，这些缺点严重制约了功率半导体技术的应用。电力电子功率器件作为电能变换系统的核心装置，其技术发展水平决定了电能变换系统的性能。因此，提出一种低感、低热阻的先进功率器件/模块封装方法对于充分发挥功率半导体的优异特性十分重要。本发明提出的功率器件/模块封装方法适用于所有涉及电能变换的应用场合，特别是要求装置能够高温服役的石油钻探、国防等应用领域，能够为相关装置或单位的全电化、小型化以及高密度化提供底层的技术支撑。
目前，较为先进的功率半导体封装方式为双面散热式封装结构，虽然这种方式消除了传统功率器件/模块的键合线互连方式，使得模块由传统的单面散热改进为双面散热，但是在实际应用中发现如下缺点：
1.功率器件在开关速度特别高时，封装的寄生参数会由于电流的突变而感应出较大的电压变化。测量传统功率器件/模块漏源电压的时候，由于内部封装寄生电感的存在，无法获得真实的芯片漏源电压。测量得到的漏源电压会比芯片的实际漏源电压具备更小的关断电压过冲，更大的开通电压降落以及更大的回路谐振，这就为设计相应的电力电子变换器带来错误的安全裕量估计(比如导致更低的安全工作域的确定等)，并且导致电力电子变换系统在工作时无法获取准确的电学信号(比如较大的开通电压谐振导致死区时间无法确定)，进而降低系统的鲁棒性，稳定性较差。
2.双面散热式封装结构虽然使用双面散热，但是考虑到宽禁带功率半导体裸片电流导通面积小的特点，双面散热的一面往往具有较大的热阻，其散热能力的提升只能提升原有散热能力的10％-30％，双面散热效果十分有限。考虑到双面散热式封装方法的工艺难度，其实际应用价值偏低。
3.双面散热式封装结构能够大幅度减小传统键合线式功率器件/模块的封装寄生电感，但是对于工作频率更高的氮化镓等功率半导体来说，其封装电感依然相对较大，一般在2nH以上。因此，双面散热式的封装方式在较大程度上限制了功率半导体在高频场合的应用。
综上所述，为了进一步发挥功率半导体的潜在特性，减小封装集成过程在高频、高温应用领域带来的应用限制，需要提出新型的封装集成技术来克服现有技术的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，该结构能够在高温、高频的环境下安全高效运行。
为达到上述目的，本发明所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构包括第一金属功率端子、第二金属功率端子、第三金属功率端子、第一金属信号端子、第二金属信号端子、第三金属信号端子、第四金属信号端子、第一半导体芯片、第二半导体芯片及金属绝缘陶瓷导电极板；
第一半导体芯片、第二金属功率端子、第三金属功率端子、第一金属信号端子及第一金属信号端子位于金属绝缘陶瓷导电极板的一侧；
第二半导体芯片、第一金属功率端子、第三金属信号端子及第四金属信号端子位于金属绝缘陶瓷导电极板的另一侧；
第一金属功率端子、第二金属功率端子、第一金属信号端子及第二金属信号端子与第二半导体芯片相连接；
第一金属功率端子、第三金属功率端子、第三金属信号端子及第四金属信号端子与第一半导体芯片相连接。
第三金属功率端子经第一互连焊层与第一半导体芯片相连接。
第三金属功率端子经第二互连焊层及第三互连焊层与金属绝缘陶瓷导电极板相连接；
第一金属功率端子经第四互连焊层、金属绝缘陶瓷导电极板上的第一导电通孔阵列及第五互连焊层与第一半导体芯片相连接；
第二金属功率端子经第六互连焊层、金属绝缘陶瓷导电极板上的第二导电通孔阵列及第七互连焊层与第二半导体芯片相连接；
第一金属功率端子经第八互连焊层与第二半导体芯片相连接；
第一金属功率端子经第九互连焊层与金属绝缘陶瓷导电极板相连接。
第一半导体芯片及第二半导体芯片为硅基芯片、碳化硅或氮化镓芯片。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构在具体操作时，通过对各部件分布结构的调整，使得第一金属功率端子、第二金属功率端子及第三金属功率端子到芯片距离变得很短，使得该距离上的封装寄生参数近似为零，因此测量到的功率芯片表面电极的电压不会受到封装寄生参数的影响，因此在短路保护、欠饱和保护等功率器件的在线安全工作检测时具有更高的可靠性。与传统的双面散热封装结构相比，所提出的封装结构结壳热阻更小，因此具有更高的散热能力。与传统的功率器件相比，热机械应力分布更加均匀，结构更加简单可靠，能够在高温、高频的环境下安全高效运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明的截面图；
图4为本发明的直接电压测量原理图；
图5为解耦电容的安装位置图；
图6为功率器件换流回路图。
其中，100为第一金属功率端子、101为第二金属功率端子、102为第三金属功率端子、103为第一金属信号端子、104为第二金属信号端子、105为第三金属信号端子、106为第四金属信号端子、107为金属绝缘陶瓷导电极板、201为第一导电通孔阵列、202为第四互连焊层、203为第二半导体芯片、204为第八互连焊层、205为第七互连焊层、206为第二导电通孔阵列、207为第九互连焊层、208为第六互连焊层、209为第三互连焊层、210为第一半导体芯片、211为第五互连焊层、212为第一互连焊层、213为第二互连焊层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当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。
参考图1至图6，本发明所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构包括第一金属功率端子100、第二金属功率端子101、第三金属功率端子102、第一金属信号端子103、第二金属信号端子104、第三金属信号端子105、第四金属信号端子106、第一半导体芯片210、第二半导体芯片203及金属绝缘陶瓷导电极板107；
其中，第一半导体芯片210、第二金属功率端子101、第三金属功率端子102、第一金属信号端子103及第二金属信号端子104位于金属绝缘陶瓷导电极板107的一侧；
第二半导体芯片203、第一金属功率端子100、第三金属信号端子105及第四金属信号端子106位于金属绝缘陶瓷导电极板107的另一侧；
其中第一金属功率端子100、第二金属功率端子101、第一金属信号端子103及第二金属信号端子104与第二半导体芯片203相连接；
第一金属功率端子100、第三金属功率端子102、第三金属信号端子105及第四金属信号端子106与第一半导体芯片210相连接。
第三金属功率端子102经第一互连焊层212与第一半导体芯片210相连接；
第三金属功率端子102经第二互连焊层213及第三互连焊层209与金属绝缘陶瓷导电极板107相连接；
第一金属功率端子100经第四互连焊层202、金属绝缘陶瓷导电极板107上的第一导电通孔阵列201及第五互连焊层211与第一半导体芯片210相连接；
第二金属功率端子101经第六互连焊层208、金属绝缘陶瓷导电极板107上的第二导电通孔阵列206及第七互连焊层205与第二半导体芯片203相连接；
第一金属功率端子100经第八互连焊层204与第二半导体芯片203相连接；
第一金属功率端子100经第九互连焊层207与金属绝缘陶瓷导电极板107相连接。
第一金属功率端子100、第二金属功率端子101、第三金属功率端子102、第一金属信号端子103、第二金属信号端子104、第三金属信号端子105及第四金属信号端子106所用材料为铜钼合金材料，用于平衡功率器件在高温工作中产生的热机械应力，在其他要求下，所使用的金属材料可以是铜及铝等导电材料，并可以选择进行金属镀层。
金属绝缘陶瓷导电极板107主要构造为金属、陶瓷的复合材料，其中，金属为铜或铝等导电材料，并且表面一般有金、银、镍等镀层，陶瓷材料一般为氧化铝、氮化铝及氮化硅等绝缘材料，也可以是环氧板及玻纤板等树脂绝缘材料。
本发明易于集成解耦电容，其中，解耦电容与第二金属功率端子101及第三金属功率端子102相连接，避免电力电子变换系统的其他元件对功率器件的影响。
本发明中第一半导体芯片210及第二半导体芯片203可以为硅基芯片、碳化硅及氮化镓芯片；可以封装多种芯片，可以是IGBT，MOSFET，二极管等；可以封装多种电力电子变换器拓扑，可以是单开关结构，半桥结构，全桥结构等。封装的芯片数量可以是2个，也可以是多个。
参考图6，功率器件换流回路由图中直线601、602及603组成，直线601与602为图示的上方，虚线603为功率器件的内部。
各互连焊层采用纳米银烧结的方式形成，能够有效地简化工艺流程，提高功率器件的工作温度与合格率。
本发明具有以下特点：
本发明具有极小的封装寄生电感，本发明消除了目前双面功率器件中的金属垫片/金属柱的结构，和两块金属绝缘陶瓷导电基板的结构，取而代之的是第一金属功率端子100、第二金属功率端子101及第三金属功率端子102与功率芯片的上下表面电极直接相连，大幅减小功率器件在垂直z方向的电流导电通路，如图1所示，并在水平xy方向上容易采用交错排布方式(引用专利CN201911360511.3)，这便使得功率器件内部的电流导电通路大幅减小，并且多个电流通路相互互感抵消，使得该功率器件的封装寄生电感大幅减小。
本发明具有极小的封装热阻。本发明只保留了一块金属绝缘陶瓷导电极板107，并采用金属母排/端子与功率芯片的上下表面电极直接相连的封装方式，简化了传统单面和双面功率器件的封装结构，减小了被封装的功率芯片向外界热量传递通路的距离与材料种类，从而减小了封装热阻。
本发明具备直接测量第二半导体芯片203及第一半导体芯片210的特性。本发明使得第一金属功率端子100、第二金属功率端子101及第三金属功率端子102到芯片距离变得很短，使得该距离上的封装寄生参数近似为零，因此测量到的功率芯片表面电极的电压不会受到封装寄生参数的影响。参考图4，测量芯片漏源极电压的位置包括406与104、405与106，不含有封装寄生电感401、402、403、404.相对于单面键合线结构与双面散热的功率器件/模块，本发明可以直接获得芯片电极之间的电压波形，而不是受到寄生参数影响的畸变漏源极电压波形。

Claims (8)

1.一种具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，包括第一金属功率端子(100)、第二金属功率端子(101)、第三金属功率端子(102)、第一金属信号端子(103)、第二金属信号端子(104)、第三金属信号端子(105)、第四金属信号端子(106)、第一半导体芯片(210)、第二半导体芯片(203)及金属绝缘陶瓷导电极板(107)；
第一半导体芯片(210)、第二金属功率端子(101)、第三金属功率端子(102)、第一金属信号端子(103)及第二金属信号端子(104)位于金属绝缘陶瓷导电极板(107)的一侧；
第二半导体芯片(203)、第一金属功率端子(100)、第三金属信号端子(105)及第四金属信号端子(106)位于金属绝缘陶瓷导电极板(107)的另一侧；
第一金属功率端子(100)、第二金属功率端子(101)、第一金属信号端子(103)及第二金属信号端子(104)与第二半导体芯片(203)相连接；
第一金属功率端子(100)、第三金属功率端子(102)、第三金属信号端子(105)及第四金属信号端子(106)与第一半导体芯片(210)相连接。
2.根据权利要求1所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第三金属功率端子(102)经第一互连焊层(212)与第一半导体芯片(210)相连接。
3.根据权利要求2所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第三金属功率端子(102)经第二互连焊层(213)及第三互连焊层(209)与金属绝缘陶瓷导电极板(107)相连接。
4.根据权利要求3所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第一金属功率端子(100)经第四互连焊层(202)、金属绝缘陶瓷导电极板(107)上的第一导电通孔阵列(201)及第五互连焊层(211)与第一半导体芯片(210)相连接。
5.根据权利要求4所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第二金属功率端子(101)经第六互连焊层(208)、金属绝缘陶瓷导电极板(107)上的第二导电通孔阵列(206)及第七互连焊层(205)与第二半导体芯片(203)相连接。
6.根据权利要求5所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第一金属功率端子(100)经第八互连焊层(204)与第二半导体芯片(203)相连接。
7.根据权利要求6所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第一金属功率端子(100)经第九互连焊层(207)与金属绝缘陶瓷导电极板(107)相连接。
8.根据权利要求1所述的具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构，其特征在于，第一半导体芯片(210)及第二半导体芯片(203)为硅基芯片、碳化硅或氮化镓芯片。
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