CN110797328A - 一种功率半导体模块的桥臂单元设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，包括上桥臂单元、下桥臂单元、联通连接装置和衬底，所述上桥臂单元及所述下桥臂单元设置在所述衬底上，所述上桥臂单元与所述下桥臂单元相对称设置；采用本发明的功率半导体模块的桥臂单元设计，将门极信号端子布置于对称中心位置，实现了多芯片并联情况下控制回路杂散参数的均衡，并有效减小了杂散参数的绝对值。

Description

一种功率半导体模块的桥臂单元设计
技术领域
本发明涉及功率半导体，尤其涉及一种功率半导体模块的桥臂单元设计。
背景技术
目前，功率半导体模块通常采用多芯片并联的方式提高功率输出能力，并联芯片间开关特性的一致性程度直接关系到功率半导体模块的运行稳定性。并联使用的功率半导体芯片的开关特性主要由其控制电极与源极间的电压决定，在三芯片并联模块内部驱动回路的等效电路模型中可用电容Cgs1、Cgs2和Cgs3两端的电压表示，Tg和Ts分别为功率半导体模块与外部驱动电路的连接端——门极信号端子和源极信号端子，Rg0和Lg0为三块芯片驱动回路公共部分的杂散电阻和杂散电感，Rg1和Lg1、Rg2和Lg2、Rg3和Lg3分别为三块芯片驱动回路独立部分的杂散电阻和杂散电感。以上杂散参数由模块内部驱动路径和信号端子的布置方式决定，在设计功率模块衬底时为保证并联芯片控制电极间电压一致且对驱动信号具有较高的响应速度，需对驱动路径和信号端子进行优化设计，使驱动回路公共部分的杂散参数尽可能小，且独立部分的杂散参数尽可能均衡。
针对现有技术所存在的问题，提供一种功率半导体模块的桥臂单元设计具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种功率半导体模块的桥臂单元设计。
为实现上述目的，本发明的功率半导体模块的桥臂单元设计，包括上桥臂单元、下桥臂单元、联通连接装置和衬底，所述上桥臂单元及所述下桥臂单元设置在所述衬底上，所述上桥臂单元与所述下桥臂单元相对称设置；所述上桥臂单元包括第一源极信号端子，第一门极信号端子、第一功率金属敷层及第一辅助金属敷层，所述第一辅助金属敷层及所述第一源极信号端子设置在所述第一功率金属敷层上，所述第一辅助金属敷层设置在所述上桥臂单元的中心位置，所述第一辅助金属敷层设置有第一突出结构，所述第一源极信号端子设置在远离所述第一突出结构的一侧，所述第一门极信号端子设置在所述第一辅助金属敷层上；所述下桥臂单元包括第二源极信号端子、第二门极信号端子、第二功率金属敷层及第二辅助金属敷层，所述第二辅助金属敷层及所述第二源极信号端子设置在所述第二功率金属敷层上，所述第二辅助金属敷层设置在所述下桥臂单元的中心位置，所述第二辅助金属敷层设置有第二突出结构，所述第二源极信号端子设置在远离所述第二突出结构的一侧，所述第二门极信号端子设置在所述第二辅助金属敷层上；
进一步地，所述上桥臂单元还包括第三源极信号端子，所述第三源极信号端子设置在靠近所述第一突出结构的一侧；所述下桥臂单元还包括与所述第三源极信号端子相对称的第四源极信号端子，所述第四源极信号端子设置在靠近所述第二突出结构的一侧；
进一步地，所述第一辅助金属敷层的第一突出结构为向所述衬底的底部方向突出，所述第二辅助金属敷层的第二突出结构为向所述衬底的顶部方向突出；
进一步地，所述第一辅助金属敷层的第一突出结构为向所述衬底的顶部方向突出，所述第二辅助金属敷层的第二突出结构为向所述衬底的底部方向突出；
进一步地，所述上桥臂单元还包括第三功率金属敷层、第四功率金属敷层、第三辅助金属敷层和第四辅助金属敷层，所述第三辅助金属敷层和所述第四辅助金属敷层分别设置在所述上桥臂单元的左右两侧，所述第三辅助金属敷层设置在第三功率金属敷层与第一功率金属敷层之间，第四辅助金属敷层设置在第四功率金属敷层与第一功率金属敷层之间；所述下桥臂单元还包括与所述上桥臂单元相对称的第五功率金属敷层、第六功率金属敷层、第五辅助金属敷层和第六辅助金属敷层，所述第五辅助金属敷层和所述第六辅助金属敷层分别设置在所述下桥臂单元的左右两侧，所述第五辅助金属敷层设置在第五功率金属敷层与第二功率金属敷层之间，第六辅助金属敷层设置在第六功率金属敷层与第二功率金属敷层之间；
进一步地，有数量相同的功率半导体芯片布置于第三功率金属敷层、第四功率金属敷层、第五功率金属敷层和第六功率金属敷层，所述半导体芯片上表面布置有连接装置以实现所述半导体芯片与相邻功率金属敷层的电连接，不同芯片的连接装置长度不一致；
进一步地，所述衬底的顶部还设置有交流端子连接处；
进一步地，所述衬底的底部还设置有正极端子连接处和负极端子连接处；
进一步地，在所述第一突出结构设置有第一辅助连接装置，所述第一辅助连接装置与所述第三辅助金属敷层及所述第四辅助金属敷层相连接；在所述第二突出结构设置有第二辅助连接装置，所述第二辅助连接装置与所述第五辅助金属敷层及所述第六辅助金属敷层相连接。
本发明的一种功率半导体模块的桥臂单元设计，将门极信号端子布置于对称中心位置，实现了多芯片并联情况下控制回路杂散参数的均衡，并有效减小了杂散参数的绝对值，且实现了杂散参数的减小和均衡。
附图说明
图1为本发明所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第一结构示意图；
图2为本发明所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第二结构示意图；
图3为本发明所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第三结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。
如图1所示，图1为本发明的所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第一结构示意图包括上桥臂单元1、下桥臂单元2、联通连接装置31和衬底3，所述上桥臂单元1及所述下桥臂单元2设置在所述衬底3上，所述上桥臂单元1与所述下桥臂单元2相对称设置；所述上桥臂单元1包括第一源极信号端子11，第一门极信号端子12、第一功率金属敷层14及第一辅助金属敷层13，所述第一辅助金属敷层13与所述第一功率金属敷层14相隔离，所述第一辅助金属敷层13及所述第一源极信号端子11设置在所述第一功率金属敷层14上，所述第一辅助金属敷层13设置在所述上桥臂单元1的中心位置，所述第一辅助金属敷层13设置有第一突出结构，所述第一辅助金属敷层13的第一突出结构为向所述衬底3的底部方向突出，所述第一源极信号端子11设置在远离所述第一突出结构的一侧，所述第一门极信号端子12设置在所述第一辅助金属敷层13上；所述第一辅助金属敷层13的第一突出结构设置有第一辅助连接装置与所述第三辅助金属敷层15及所述第四辅助金属敷层17相连接，所述第一辅助连接装置的落点位于所述第三辅助金属敷层15及所述第四辅助金属敷层17的中间位置，以低杂散参数实现所述第一辅助金属敷层13与所述第三辅助金属敷层15及所述第四辅助金属敷层17的电连接；所述下桥臂单元2包括第二源极信号端子21、第二门极信号端子23、第二功率金属敷层24及第二辅助金属敷层22，所述第二辅助金属敷层22及所述第二源极信号端子21设置在所述第二功率金属敷层24上，所述第二辅助金属敷层22设置在所述下桥臂单元2的中心位置，所述第二辅助金属敷层22设置有第二突出结构，所述第二辅助金属敷层22的第二突出结构为向所述衬底3的顶部方向突出，所述第二源极信号端子21设置在远离所述第二突出结构的一侧，所述第二门极信号端子21设置在所述第二辅助金属敷层22上；所述第二辅助金属敷层22的突出位置设置有第二辅助连接装置连接所述第五辅助金属敷层25及所述第六辅助金属敷层27，所述第二辅助连接装置的落点位于所述第五辅助金属敷层25及所述第六辅助金属敷层27的中间位置，以低杂散参数实现第二辅助金属敷层22与所述第五辅助金属敷层25及所述第六辅助金属敷层27的电连接。
所述功率半导体模块的桥臂单元设计还包括联通金属敷层32，所述联通连接装置31设置在所述联通金属敷层32上；所述上桥臂单元1还包括第三功率金属敷层16、第四功率金属敷层18、第三辅助金属敷层15和第四辅助金属敷层17，所述第三辅助金属敷层15和所述第四辅助金属敷层17分别设置在所述上桥臂单元1的左右两侧，所述第三辅助金属敷层15设置在第三功率金属敷层16与第一功率金属敷层14之间，第四辅助金属敷层17设置在第四功率金属敷层18与第一功率金属敷层14之间；所述下桥臂单元2还包括与所述上桥臂单元相对称的第五功率金属敷层26、第六功率金属敷层28、第五辅助金属敷层25和第六辅助金属敷层27，所述第五辅助金属敷层25和所述第六辅助金属敷层27分别设置在所述下桥臂单元2的左右两侧，所述第五辅助金属敷层25设置在第五功率金属敷层26与第二功率金属敷层24之间，第六辅助金属敷层27设置在第六功率金属敷层28与第二功率金属敷层24之间；所述衬底3的顶部还设置有交流端子连接处8；所述衬底3的底部还设置有正极端子连接处10和负极端子连接处9；在所述上桥臂单元1及所述下桥臂单元2的左右两侧，分别设置有若干对功率连接装置7，所述功率连接装置7上设置有功率开关6，所述第三功率金属敷层16、所述第四功率金属敷层18、所述第五功率金属敷层26及所述第六功率金属敷层28上设置有若干功率开关6，上桥臂功率开关通过若干功率连接装置连接所述功率开关6和所述第一功率金属敷层14，上桥臂功率开关通过若干辅助连接装置连接所述功率开关6控制电极和所述第三辅助金属敷层15和所述第四辅助金属敷层17，下桥臂功率开关通过若干功率连接装置连接所述功率开关6和所述第二功率金属敷层24，下桥臂功率开关通过若干辅助连接装置连接功率开关6控制电极和所述第五辅辅助金属敷层25和所述第六辅助金属敷层27。
本发明的所述功率半导体模块的桥臂单元设计有数量相同的功率半导体芯片布置于第三功率金属敷层15、第四功率金属敷层17、第五功率金属敷层26和第六功率金属敷层27，所述半导体芯片上表面布置有连接装置以实现所述半导体芯片与相邻功率金属敷层的电连接，不同芯片的连接装置长度不一致。
在本发明优选的实施例中，所述交流端子连接处为四个，所述负极端子连接处为四个，所述负极端子连接处设置在所述下桥臂单元底部的中间位置，所述正极端子连接处为左右各两个；所述功率开关为在所述上桥臂单元及所述下桥臂单元的左右两侧各设置有四个，一共为十六个，每一个所述功率开关上均设置有功率连接装置。
如图2所示，图2为本发明的所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第二结构示意图，在本发明一种优选的实施例中，所述上桥臂单元还包括第三源极信号端子19，所述第三源极信号端子19设置在靠近所述第一突出结构的一侧；所述下桥臂单元还包括与所述第三源极信号端子相对称的第四源极信号端子29，所述第四源极信号端子29设置在靠近所述第二突出结构的一侧。
如图3所示，图3为本发明的所述功率半导体模块的桥臂单元设计的第三结构示意图，在本发明另一种优选的实施例中，所述第一辅助金属敷层设置有第一突出结构，所述第一辅助金属敷层的第一突出结构为向所述衬底3的顶部方向突出，所述第一源极信号端子设置在远离所述第一突出结构的一侧，所述第一门极信号端子设置在所述第一辅助金属敷层上；所述一突出结构上设置有第一辅助连接装置连接所述第一辅助金属敷层、所述第三金属敷层及所述第四辅助金属敷层，所述第一辅助连接装置按照图3水平设置，以低杂散参数实现第一辅助金属敷层与所述第三辅助金属敷层及所述第四辅助金属敷层的控制信号传输；所述下桥臂单元2包括第二源极信号端子、第二门极信号端子、第二功率金属敷层及第二辅助金属敷层，所述第二辅助金属敷层及所述第二源极信号端子设置在所述第二功率金属敷层上，所述第二辅助金属敷层设置在所述下桥臂单元的中心位置，所述第二辅助金属敷层设置有第二突出结构，所述第二辅助金属敷层的第二突出结构为向所述衬底3的底部方向突出，所述第二源极信号端子设置在远离所述第二突出结构的一侧，所述第二门极信号端子设置在所述第二辅助金属敷层上；所述第二突出结构上设置有第二辅助连接装置连接所述第二辅助金属敷层、所述第五辅助金属敷层及所述第六辅助金属敷层，所述第二辅助连接装置按照图3水平设置，以低杂散参数实现第二辅助金属敷层与所述第五辅助金属敷层、所述第六辅助金属敷层的控制信号传输。
在本发明优选的实施例中，所述功率连接装置的材质可以为铝、铜等材料的绑定线、带材等；所述功率开关由功率半导体芯片组成，组成功率开关的功率半导体芯片平行布置成一排，辅助金属敷层沿芯片布置方向平行延伸至芯片控制电极对应位置，在辅助金属敷层与功率金属敷层间可布置与芯片数量相同的控制电极辅助金属敷层，信号连接装置以最短距离平行连接芯片控制电极和控制电极辅助金属敷层，控制电极辅助金属敷层与辅助金属敷层间通过电阻、电容、电感等无源元件连接，所述功率半导体芯片包括基于硅、碳化硅、氮化镓等半导体材料制造的二极管、JFET、MOSFET、IGBT等器件。
以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，包括上桥臂单元、下桥臂单元、联通连接装置和衬底，所述上桥臂单元及所述下桥臂单元设置在所述衬底上，所述上桥臂单元与所述下桥臂单元相对称设置；
所述上桥臂单元包括第一源极信号端子，第一门极信号端子、第一功率金属敷层及第一辅助金属敷层，所述第一辅助金属敷层及所述第一源极信号端子设置在所述第一功率金属敷层上，所述第一辅助金属敷层设置在所述上桥臂单元的中心位置，所述第一辅助金属敷层设置有第一突出结构，所述第一源极信号端子设置在远离所述第一突出结构的一侧，所述第一门极信号端子设置在所述第一辅助金属敷层上；
所述下桥臂单元包括第二源极信号端子、第二门极信号端子、第二功率金属敷层及第二辅助金属敷层，所述第二辅助金属敷层及所述第二源极信号端子设置在所述第二功率金属敷层上，所述第二辅助金属敷层设置在所述下桥臂单元的中心位置，所述第二辅助金属敷层设置有第二突出结构，所述第二源极信号端子设置在远离所述第二突出结构的一侧，所述第二门极信号端子设置在所述第二辅助金属敷层上。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述上桥臂单元还包括第三源极信号端子，所述第三源极信号端子设置在靠近所述第一突出结构的一侧；所述下桥臂单元还包括与所述第三源极信号端子相对称的第四源极信号端子，所述第四源极信号端子设置在靠近所述第二突出结构的一侧。
3.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述第一辅助金属敷层的第一突出结构为向所述衬底的底部方向突出，所述第二辅助金属敷层的第二突出结构为向所述衬底的顶部方向突出。
4.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述第一辅助金属敷层的第一突出结构为向所述衬底的顶部方向突出，所述第二辅助金属敷层的第二突出结构为向所述衬底的底部方向突出。
5.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，还包括联通金属敷层，所述联通连接装置设置在所述联通金属敷层上。
6.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述上桥臂单元还包括第三功率金属敷层、第四功率金属敷层、第三辅助金属敷层和第四辅助金属敷层，所述第三辅助金属敷层和所述第四辅助金属敷层分别设置在所述上桥臂单元的左右两侧，所述第三辅助金属敷层设置在第三功率金属敷层与第一功率金属敷层之间，第四辅助金属敷层设置在第四功率金属敷层与第一功率金属敷层之间；
所述下桥臂单元还包括与所述上桥臂单元相对称的第五功率金属敷层、第六功率金属敷层、第五辅助金属敷层和第六辅助金属敷层，所述第五辅助金属敷层和所述第六辅助金属敷层分别设置在所述下桥臂单元的左右两侧，所述第五辅助金属敷层设置在第五功率金属敷层与第二功率金属敷层之间，第六辅助金属敷层设置在第六功率金属敷层与第二功率金属敷层之间。
7.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，有数量相同的功率半导体芯片布置于第三功率金属敷层、第四功率金属敷层、第五功率金属敷层和第六功率金属敷层，所述半导体芯片上表面布置有连接装置以实现所述半导体芯片与相邻功率金属敷层的电连接，不同芯片的连接装置长度不一致。
8.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述衬底的顶部还设置有交流端子连接处。
9.如权利要求1所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，所述衬底的底部还设置有正极端子连接处和负极端子连接处。
10.如权利要求6所述的功率半导体模块的桥臂单元设计，其特征在于，在所述第一突出结构设置有第一辅助连接装置，所述第一辅助连接装置与所述第三辅助金属敷层及所述第四辅助金属敷层相连接；在所述第二突出结构设置有第二辅助连接装置，所述第二辅助连接装置与所述第五辅助金属敷层及所述第六辅助金属敷层相连接。
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CN113192925A (zh) * 2021-05-14 2021-07-30 江苏宏微科技股份有限公司 功率半导体器件
WO2023083320A1 (zh) * 2021-11-12 2023-05-19 比亚迪半导体股份有限公司 半导体功率模块、电机控制器以及车辆
WO2024045990A1 (zh) * 2022-08-31 2024-03-07 比亚迪半导体股份有限公司 半导体功率模块、电机控制器和车辆

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