CN210516724U

CN210516724U - 一种功率半导体模块和功率半导体器件

Info

Publication number: CN210516724U
Application number: CN201922010344.1U
Authority: CN
Inventors: 新居良英; 刘乐; 刘莉飞; 王庆凯; 高崎哲; 苟文辉
Original assignee: Shanghai Dajun Technologies Inc
Current assignee: Zhenghai Group Co.,Ltd.
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-20

Abstract

本实用新型公开了一种功率半导体模块和功率半导体器件。该模块包括：上桥IGBT芯片、下桥IGBT芯片、第一DBC和DBC；所述第一DBC中第一金属层包括相互绝缘的第一子金属层和第二子金属层；所述上桥IGBT芯片的集电极与所述第一子金属层连接，所述下桥IGBT芯片的集电极与所述第二子金属层连接；所述第一子金属层与直流回路正极电连接；所述上桥IGBT芯片的发射极与所述第二子金属层电连接；所述下桥IGBT芯片的发射极与所述第二DBC中第三金属层的第一绑定焊点电连接；所述第三金属层的第二绑定焊点与直流回路负极电连接；所述第一绑定焊点和所述第二绑定焊点位于所述第一DBC的相对两侧。该模块能够减小内部寄生电感，提升器件的性能。

Description

一种功率半导体模块和功率半导体器件

技术领域

本实用新型实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种功率半导体模块和功率半导体器件。

背景技术

新能源汽车电池、电机控制器和电机构成新能源汽车“三电”系统，电机控制器承担着能量转换、电机转矩控制和转速控制的关键角色。目前，以绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)为代表的功率器件是电机控制器的核心元器件，决定了电机控制器的功率密度等关键性能，并占电机控制器成本的很大比例。

目前市场应用的IGBT，无论是分立式IGBT、框架式IGBT还是双面水冷式IGBT，其内部IGBT和二极管芯片均为平铺结构，即IGBT芯片和二极管芯片以“平铺”的形式焊接在同一块直接覆铜陶瓷基板(Direct Bonding Copper,DBC)上。该结构中，电流回路面积较大，寄生电感较大，导致IGBT关断电压尖峰较高，使得实际使用时不得不考虑较高的电压尖峰，从而影响IGBT性能发挥，对电机控制器整体性能发挥和成本也不利。特别是，近些年来，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)器件在新能源汽车上的应用趋势愈发明显，国际著名整车厂和零部件巨头等都在开展SiC器件在汽车的应用和测试。SiC器件具有高耐压、高耐温、高开关速度、低损耗等优点，但对寄生电感更为敏感。高寄生电感的结构对SiC应用十分不利。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种功率半导体模块和功率半导体器件，能够减小内部寄生电感，提升器件的性能。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种功率半导体模块，该模块包括：

上桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片、下桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片、第一直接覆铜陶瓷基板DBC和第二直接覆铜陶瓷基板DBC；

所述第一DBC包括层叠设置的第一金属层、第一绝缘层和第二金属层；

所述第二DBC包括层叠设置的第三金属层、第二绝缘层和第四金属层；

所述第一绝缘层位于所述第二金属层背离所述第三金属层的一侧；

所述第一金属层包括相互绝缘的第一子金属层和第二子金属层；

所述上桥IGBT芯片设置于所述第一子金属层背离所述第一绝缘层的一侧；所述下桥IGBT芯片设置于所述第二子金属层背离所述第一绝缘层的一侧；所述上桥IGBT芯片的集电极与所述第一子金属层连接，所述下桥IGBT芯片的集电极与所述第二子金属层连接；

所述第一子金属层与直流回路正极电连接；所述上桥IGBT芯片的发射极与所述第二子金属层电连接；所述下桥IGBT芯片的发射极与所述第三金属层的第一绑定焊点电连接；所述第三金属层的第二绑定焊点与直流回路负极电连接；所述第一绑定焊点和所述第二绑定焊点位于所述第一DBC的相对两侧；所述第三金属层与所述第二金属层通过焊接层连接。

可选的，所述模块还包括第一二极管芯片和第二二极管芯片；所述第一二极管芯片的正极连接所述上桥IGBT芯片的发射极，所述第一二极管芯片的负极连接所述上桥IGBT芯片的集电极；所述第二二极管芯片的正极连接所述下桥IGBT芯片的发射极，所述第二二极管芯片的负极连接所述下桥IGBT芯片的集电极。

可选的，所述模块还包括散热板；所述散热板位于所述第四金属层背离所述第二绝缘层的一侧。

可选的，所述第一DBC在所述第二DBC上的垂直投影位于所述第二DBC的边界内。

可选的，所述模块还包括电容器；所述电容器的第一极板与所述第一子金属层或者第二子金属层连接，所述电容器的第二极板与所述第二金属层连接。

可选的，所述第一绝缘层的拐角处为倒角斜边，所述倒角斜边与临近的所述第二金属层的边缘的夹角θ大于等于30°且小于等于70°。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种功率半导体器件，该器件包括：第一方面提供的任一种功率半导体模块。

可选的，所述器件包括三个所述功率半导体模块，分别为第一功率半导体模块、第二功率半导体模块和第三功率半导体模块；

所述第一功率半导体模块的上桥IGBT芯片为U相上桥IGBT芯片；所述第二功率半导体模块的上桥IGBT芯片为V相上桥IGBT芯片；所述第三功率半导体模块的上桥IGBT芯片为W相上桥IGBT芯片；所述U相上桥IGBT芯片、所述V相上桥IGBT芯片和所述W相上桥IGBT芯片位于同一所述第一子金属层上；

所述第一功率半导体模块的下桥IGBT芯片为U相下桥IGBT芯片；所述第二功率半导体模块的下桥IGBT芯片为V相下桥IGBT芯片；所述第三功率半导体模块的下桥IGBT芯片为W相下桥IGBT芯片；所述U相下桥IGBT芯片、所述V相下桥IGBT芯片和所述W相下桥IGBT芯片位于不同所述第二子金属层上，且电气绝缘。

可选的，不同所述第二子金属层均围绕所述第一子金属层设置；或者，不同所述第二子金属层均位于所述第一子金属层的一侧。

可选的，所述器件包括多个功率半导体模块组；每个所述功率半导体模块组包括一个所述第一功率半导体模块、一个所述第二功率半导体模块和一个第三功率半导体模块。

本申请实施例提供的功率半导体模块中，第一金属层包括相互绝缘的第一子金属层和第二子金属层，第一子金属层与直流回路正极电连接，上桥IGBT芯片的集电极与第一子金属层连接，上桥IGBT芯片的发射极与第二子金属层电连接，下桥IGBT芯片的集电极与第二子金属层连接，下桥IGBT芯片的发射极与所述第三金属层的第一绑定焊点电连接，因此在第一金属层中，电流的方向从上桥IGBT芯片所在位置指向下桥IGBT芯片所在位置。第三金属层的第二绑定焊点与直流回路负极电连接；第一绑定焊点和第二绑定焊点位于第一DBC的相对两侧，因此在第三层金属层中，电流的方向从第一绑定焊点指向第二绑定焊点。由此可知，第三金属层中电流的方向与第一金属层中电流方向相反，即整个电流回路中存在电流相反的导电层，电流相反的导电层产生的电感相互抵消，由此减小内部寄生电感，提高器件的性能。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种功率半导体模块的剖面结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种功率半导体模块的剖面结构示意图；

图3为图2提供的功率半导体模块的平面结构示意图；

图4为本申请实施例提供的又一种功率半导体模块的平面结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种功率半导体器件的平面结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种功率半导体器件的平面结构示意图；

图7为本申请实施例提供的又一种功率半导体器件的平面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

图1为本申请实施例提供的一种功率半导体模块的剖面结构示意图。如图1所示，功率半导体模块100包括上桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片110、下桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片120、第一直接覆铜陶瓷基板DBC130和第二直接覆铜陶瓷基板DBC140；

第一DBC130包括层叠设置的第一金属层131、第一绝缘层132和第二金属层133；

第二DBC140包括层叠设置的第三金属层141、第二绝缘层142和第四金属层143；

第一绝缘层132位于第二金属层133背离第三金属层141的一侧；

第一金属层131包括相互绝缘的第一子金属层131-1和第二子金属层131-2；

上桥IGBT芯片110设置于第一子金属层131-1背离第一绝缘层132的一侧；下桥IGBT芯片120设置于第二子金属层131-2背离第一绝缘层132的一侧；上桥IGBT芯片110的集电极与第一子金属层131-1连接，下桥IGBT芯片120的集电极与第二子金属层131-2连接；

第一子金属层131-1与直流回路正极160电连接；上桥IGBT芯片110的发射极与第二子金属层131-2电连接；下桥IGBT芯片120的发射极与第三金属层141的第一绑定焊点A电连接；第三金属层141的第二绑定焊点与直流回路负极170电连接；第一绑定焊点A述第二绑定焊点B位于第一DBC130的相对两侧；第三金属层141与第二金属层133通过焊接层150连接。

具体的，参见图1，电流从直流回路正极160流出，通过第一子金属层131-1流入上桥IGBT芯片110中，再从上桥IGBT芯片110的发射极流出后，通过第二子金属层131-2流入下桥IGBT芯片120，从下桥IGBT芯片120的发射极流出后，通过第一绑定焊点A流入第三金属层141，因此，电流在第一金属层131中的方向为从左到右；第一绑定焊点A流入第三金属层141的电流从第二绑定焊点B流出至直流回路负极170，由于第二绑定焊点B和第一绑定焊点A位于第一DBC130的相对两侧，电流在第三金属层141中的方向为从A到B，即从右至左，与电流在第一金属层131中的方向相反。此外，由于第一子金属层131-1和第二子金属层131-2相互绝缘，形成了一个静电电容。

本申请实施例中，第三金属层中的电流方向和第一金属层中的电流方向相反，即整个回路中存在电流相反的导电层，导电层产生的电感会互相抵消，由此减小内部寄生电感，提高器件的性能；同时，第一子金属层和第二子金属层形成的静电电容，可以降低IGBT开关电压尖峰。

可选的，继续参见图1，焊接层150可以是锡焊、钎焊或者其他焊接形成。可选的，继续参见图1，第四金属层143背离第二绝缘层142一侧设置多层铜层。

可选的，继续参见图1，功率半导体模块100还包括第一二极管芯片和第二二极管芯片；第一二极管芯片的正极连接上桥IGBT芯片110的发射极，第一二极管芯片的负极连接上桥IGBT芯片110的集电极；第二二极管芯片的正极连接下桥IGBT芯片120的发射极，第二二极管芯片的负极连接下桥IGBT芯片120的集电极。

IGBT芯片在断路时，由于电路中存在电感成分，断路的瞬间会产生尖峰电压。如果尖峰电压超过IGBT芯片的最高峰值电压，会造成IGBT芯片不可逆的损坏。在IGBT芯片的发射极和集电极反向并联一个二极管芯片，可以在尖峰电压超过IGBT芯片的最高峰电压值时，二极管芯片产生可恢复的击穿，迅速降低IGBT芯片两端的电压，从而达到保护IGBT芯片的目的。

本申请中二极管芯片可以平铺设置，可以叠层设置，不做具体限制。

可选的，继续参见图1，第一DBC130在第二DBC140的垂直投影位于第二DBC140的边界内。这有利于在第二DBC140上设置第一绑定焊点A和第二绑定焊点B；同时，形成自上而下的喇叭口散热方式，提高了器件的散热能力。

图2为本申请实施例提供的另一种功率半导体模块的第一剖面结构示意图。如图2所示，功率半导体模块100还包括散热板210；散热板210位于第四金属层143背离第二绝缘层142的一侧。

功率半导体模块在工作过程中会产生大量的热量，第二绝缘层142将产生的热量传递到第四金属层143，并通过与第四金属层143紧贴的散热板210进行散热。

本申请实施例，通过散热板对功率半导体模块进行散热，提高了功率半导体模块的导热能力，防止高温损伤，从而提升器件的性能。

图3为图2提供的功率半导体模块的平面结构示意图。如图2和图3所示，功率半导体模块100还包括电容器220；电容器220的第一极板与第一子金属层131-1或者第二子金属层131-2连接，电容器220的第二极板与第二金属层132连接。

具体的，在第一绝缘层132上开设通孔，电容器220的第二极板通过该通孔实现与第二金属层132的连接；也可以是电容器220的第二极板通过第一绑定焊点与第三金属层141电连接，本申请对此不作具体限制。

图4为本申请实施例提供的又一种功率半导体模块的平面结构示意图。如图4所示，第一绝缘层132的拐角处为倒角斜边，倒角斜边与临近的第二金属层的边缘的夹角θ大于等于30°且小于等于70°。倒角斜边的功率半导体模块，在制造工艺过程中，便于制造，同时优化了电流路径，降低杂散电感，提高绝缘材料的利用率。

基于同一构思，本申请还提供了一种功率半导体器件，该器件500包括上述实施例中的任一种功率半导体模块100，具有上述功率半导体模块100相应的功能和有益效果。

器件500包括一个功率半导体模块100，示例性的，如图1-图4所示。器件500应用于单相电路时，只需要一个功率半导体模块100即可。

图5为本申请实施例提供的一种功率半导体器件的平面结构示意图。如图5所示，器件500包括三个功率半导体模块，分别为第一功率半导体模块510、第二功率半导体模块520和第三功率半导体模块530；

第一功率半导体模块510的上桥IGBT芯片为U相上桥IGBT芯片511；第二功率半导体模块520的上桥IGBT芯片为V相上桥IGBT芯片521；第三功率半导体模块530的上桥IGBT芯片为W相上桥IGBT芯片531；U相上桥IGBT芯片511、V相上桥IGBT芯片521和W相上桥IGBT芯片531位于同一第一子金属层540上；

第一功率半导体模块510的下桥IGBT芯片为U相下桥IGBT芯片512；第二功率半导体模块520的下桥IGBT芯片为V相下桥IGBT芯片522；第三功率半导体模块530的下桥IGBT芯片为W相下桥IGBT芯片532；U相下桥IGBT芯片512、V相下桥IGBT芯片522和W相下桥IGBT芯片532位于不同第二子金属层550上，且电气绝缘。

具体的，三相交流逆变器包括U相、V相和W相电流，因此应用于三相交流逆变器的功率半导体器件500包括三个功率半导体模块，分别为第一功率半导体模块510、第二功率半导体模块520和第三功率半导体模块530。U相下桥IGBT芯片512位于第二子金属层551上，V相下桥IGBT芯片522位于第二子金属层552上，W相下桥IGBT芯片532位于第二子金属层553上，第二子金属层551、第二子金属层552和第二子金属层553之间相互电气绝缘，保证U相、V相和W相各自的电流回路相互独立。

本申请中第一功率半导体模块510、第二功率半导体模块520和第三功率半导体模块530的位置可以互换。

可选的，继续参见图5，不同第二子金属层550均位于第一子金属层540的一侧。

图6为本申请实施例提供的另一种功率半导体器件的平面结构示意图。如图6所示，不同第二子金属层550均围绕第一子金属层540设置；或者，不同第二子金属层550均位于第一子金属层540的一侧。

具体的，第二子金属层551、第二子金属层552和第二子金属层553围绕第一子金属层540设置，并且第二子金属层551设置在U相上桥IGBT芯片511的旁边，第二子金属层552设置在V相上桥IGBT芯片521的旁边，第二子金属层553设置在W相上桥IGBT芯片531的旁边。缩短了每个功率半导体模块中电流的传输距离，从而减小了回路中的寄生电感。

图7为本申请实施例提供的又一种功率半导体器件的平面结构示意图。如图7所示，器件600包括多个功率半导体模块组610；每个功率半导体模块组610包括一个第一功率半导体模块510、一个第二功率半导体模块520和一个第三功率半导体模块530。

在大功率的应用场景下，器件600中需要有多个芯片并联，因此器件600包括多个功率半导体模块组610。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括上桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片、下桥绝缘栅双极性晶体管IGBT芯片、第一直接覆铜陶瓷基板DBC和第二直接覆铜陶瓷基板DBC；

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，还包括第一二极管芯片和第二二极管芯片；

所述第一二极管芯片的正极连接所述上桥IGBT芯片的发射极，所述第一二极管芯片的负极连接所述上桥IGBT芯片的集电极；

所述第二二极管芯片的正极连接所述下桥IGBT芯片的发射极，所述第二二极管芯片的负极连接所述下桥IGBT芯片的集电极。

3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，还包括散热板；

所述散热板位于所述第四金属层背离所述第二绝缘层的一侧。

4.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述第一DBC在所述第二DBC上的垂直投影位于所述第二DBC的边界内。

5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，还包括电容器；

所述电容器的第一极板与所述第一子金属层或者第二子金属层连接，所述电容器的第二极板与所述第二金属层连接。

6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述第一绝缘层的拐角处为倒角斜边，所述倒角斜边与临近的所述第二金属层的边缘的夹角θ大于等于30°且小于等于70°。

7.一种功率半导体器件，其特征在于，包含权利要求1-6中任一项所述的功率半导体模块。

8.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，包括三个所述功率半导体模块，分别为第一功率半导体模块、第二功率半导体模块和第三功率半导体模块；

9.根据权利要求8所述的功率半导体器件，其特征在于，不同所述第二子金属层均围绕所述第一子金属层设置；

或者，不同所述第二子金属层均位于所述第一子金属层的一侧。

10.根据权利要求8所述的功率半导体器件，其特征在于，包括多个功率半导体模块组；每个所述功率半导体模块组包括一个所述第一功率半导体模块、一个所述第二功率半导体模块和一个第三功率半导体模块。