CN114664810A - 一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片排布在功率基板上表面的导电金属基板上；顶部以及底部功率衬底由旁路铜柱、辅助铜柱进行支撑连接；旁路铜柱的布局设计使得功率模块中并联芯片散热环境相似、热耦合一致，达到芯片均温的效果；旁路铜柱的热量传递能力提供芯片向顶部功率衬底传导热量的通道，大幅提高芯片散热能力，适用于多个宽禁带半导体功率芯片并联的大电流等级功率模块。

Description

一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块。

背景技术

功率模块是将一系列功率半导体芯片以实现一定功能为目的按照一定的拓扑进行封装集成形成的一种模块。相较于分立的功率器件组成的拓扑，功率模块具有高度集成性，在电学性能、热学性能、安全性、器件寿命、成本等方面具有很大的优越性。

随着半导体功率器件的不断发展，受诸如新能源并网、高压直流输电、电动汽车、高铁、航空航天、脉冲功率等军工、民用等重要的领域的应用环境要求不断提高，以及节能、“双碳”口号提出的影响。功率模块正不断朝着小型化、低损耗、高功率密度、高可靠性、高集成化的方向发展。特别是以基于碳化硅、氮化镓材料为代表的新一代宽禁带半导体器件的出现，在各工业领域中逐渐替代硅基器件，加速了功率模块的发展，使得使用宽禁功率半导体芯片的功率模块在相同的电压电流等级下拥有更小的体积、能够在更高的温度下工作、工作在更高的开开关频率从而进一步减小无源器件的体积以及改善变换器的效率。但是现有的封装沿用基于硅的封装结构，远远无法发挥宽禁带功率半导体的优势，主要表现在以下几个方面：

1、传统的功率模块适用于大面积的硅基半导体功率芯片，这些器件通常并联的个数不多，并且要反并联一个功率二极管，而宽禁带功率半导体开关芯片面积很小，可以在相同的衬底面积下串并联多个芯片，并且由于其优异的体二极管特性，可以选择反并联或者不反并联功率二极管芯片；

2、传统功率模块是只有一个底部衬底，功率芯片散热主要靠通过底部衬底、散热器这一个散热路径散热，这种散热方式也被称为单面散热，散热效率低，电力电子芯片到周围环境的热阻较大，非常不利于功率模块在长期可靠运行；在热量不能被很好散发的情况下，起电气连接作用的键合线易在键合点处发生老化甚至脱落，导致功率模块失效。特别是对基于碳化硅的宽禁带功率芯片，虽然其热导率远高于硅，但由于其芯片面积较于硅基芯片大幅减小，故散热面积减小，总体散热挑战相较于硅更加严峻。

3、传统功率模块较难实现芯片的均流与均温，而这在高工作频率、恶劣环境下是至关重要的。芯片动态电流不均主要是因为芯片并联支路的寄生电感分布不均，寄生电感的分布不均会造成功率芯片在开关瞬态受到不均等的电流电压应力，极有可能发生功率芯片的击穿失效，这在宽禁带半导体功率器件中造成的影响更加明显；同时，动态电流不均可以使芯片的损耗不均，进而使芯片的温度不均，导致不同芯片的粘接层的老化和失效的速率不同，并且通过影响芯片的阈值电压而加剧并联芯片的动态电流不均现象，进一步加速功率模块整体的失效。

综上所述，宽禁带功率半导体的优良特性受到传统封装的限制，没有发挥出应有的优异电学、热学特性。因此需要一种新型的封装结构来克服传统功率模块的缺点，增加模块的散热能力，从而充分发挥宽禁带器件的优良特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，对现有的模块散热技术进行改进和延伸。使用旁路铜柱技术增加模块散热能力，实现双面散热，从而实现多芯片、大电流的功率模块。

本发明采用以下技术方案：

一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，包括若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片设置在顶部功率衬底和底部功率衬底之间，顶部功率衬底和底部功率衬底之间通过旁路铜柱和辅助铜柱支撑连接；

宽禁带功率半导体芯片与底部功率衬底的上导电金属区域功率回路之间通过键合线连接，宽禁带功率半导体芯片与顶部功率衬底的上导电金属区域功率回路之间通过旁路铜柱以及辅助铜柱连接，通过若干宽禁带功率半导体芯片构成半桥结构的上桥臂和下桥臂；

在底部功率衬底的上表面设置有功率端子；顶部功率衬底下表面的导电金属区域以及底部功率衬底上表面的导电金属区域分别设置有驱动端子。

具体的，顶部功率衬底从上到下依次包括顶部上表面金属层、顶部绝缘介质层和顶部下表面金属层，顶部下表面金属层上划分有若干导电区域。

进一步的，若干导电区域包括顶部第一导电区域、顶部第二导电区域、顶部第三导电区域、顶部第四导电区域、顶部第五导电区域和顶部第六导电区域，顶部第一导电区域和顶部第二导电区域与驱动端子连接，顶部第三导电区域和顶部第四导电区域与宽禁带功率半导体芯片的导热路径连接，顶部第五导电区域和顶部第六导电区域连接驱动回路。

具体的，底部功率衬底从上到下依次包括底部上表面金属层、底部绝缘介质层和底部下表面金属层，底部上表面金属层上设置有若干导电区域。

进一步的，若干导电区域包括底部第一导电区域、底部第二导电区域、底部第三导电区域、底部第四导电区域、底部第五导电区域、底部第六导电区域、底部第七导电区域、底部第八导电区域、底部第九导电区域和底部第十导电区域；底部第一导电区域、底部第五导电区域和底部第六导电区域与功率端子连接，底部第二导电区域、底部第四导电区域、底部第七导电区域、底部第八导电区域、底部第九导电区域和底部第十导电区域分别与对应驱动回路连接，底部第三导电区域与旁路铜柱连接；宽禁带半导体功率芯片包括设置于底部第五导电区域上的若干上桥臂芯片，以及设置于底部第三导电区域上的若干下桥臂芯片。

更进一步的，上桥臂芯片和下桥臂芯片的数量相同，相邻上桥臂芯片之间，以及相邻下桥臂芯片之间的间距相同。

具体的，驱动端子包括设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上的开尔文上桥臂源极端子和上桥臂栅极端子；设置在顶部功率衬底的顶部下表面金属层上的开尔文下桥臂源极端子和下桥臂栅极端子。

具体的，功率端子包括分别设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上的直流功率负极端子、直流功率正极端子和交流功率端子，直流功率正极端子和直流功率负极端子之间设置有第一耦合电容和第二耦合电容。

具体的，旁路铜柱在水平方向与并联的宽禁带半导体芯片组对应设置，在垂直方向上位于顶部功率衬底和底部功率衬底之间，设置在底部功率衬底的底部上表面金属层上；辅助铜柱包括多个，与旁路铜柱平行设置。

具体的，上桥臂处的宽禁带功率半导体芯片处设置有上桥臂半导体芯片第一导热路径和上桥臂半导体芯片第二导热路径；上桥臂半导体芯片第一导热路径一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端依次经底部功率衬底上底部上表面金属层的导电区域、底部功率衬底的底部绝缘介质层和底部功率衬底的底部下表面金属层传导热量；上桥臂半导体芯片第二导热路径的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端横向经过底部功率衬底上底部上表面金属层的导电区域后，纵向依次经过旁路铜柱、顶部下表面金属层的导电区域、顶部功率衬底的顶部绝缘介质层，以及顶部功率衬底的顶部上表面金属层向外界传导热量；

下桥臂处的宽禁带功率半导体芯片处设置有下桥臂半导体芯片第一导热路径和下桥臂半导体芯片第二导热路径；下桥臂半导体芯片第一导热路径的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端依次纵向经过底部功率衬底上底部上表面金属层处的导电区域，底部功率衬底的底部绝缘介质层，以及底部功率衬底的底部下表面金属层向外传导热量；下桥臂半导体芯片第二导热路径的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端横向经过底部功率衬底上底部上表面金属层处的导电区域，再依次纵向经过旁路铜柱，顶部功率衬底上顶部下表面金属层处的导电区域，顶部功率衬底的顶部绝缘介质层，以及顶部功率衬底的顶部上表面金属层向外传导热量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，使用设置在功率半导体芯片旁的旁路铜柱和辅助铜柱完成顶部功率衬底和底部功率衬底之间的连接；旁路铜柱的设置实现了对每个宽禁带功率半导体芯片提供两个导热路径，从而实现双面散热，极大降低了模块整体热阻，增强了模块的散热能力，降低了键合线电气互连失效的可能性，提高了功率模块在极端环境下工作的可靠性，实现立体的导电回路，降低因封装而产生的寄生电感。在电流换路时，上下桥臂电流在空间中电流方向相反，从而回路互感可以产生抵消寄生电感的作用，极大地减小了换流回路的寄生电感；功率回路的直流引出端子(直流功率正极端子和直流功率负极端子)在空间上排布紧密，可以容易地设计叠层母排和安装解耦电容，从而避免引入模块应用时外电路部分的回路电感，减小开通电压震荡以及关断电流震荡。

进一步的，顶部功率衬底设置为三层结构，上表面金属层通过基板或直接与散热器相连，实现模块的散热功能，中间陶瓷层用于绝缘和导热，下表面金属层划分为若干金属区域，用于半导体芯片的电气连接和热量传导。

进一步的，顶部功率衬底下表面金属层设置若干导电金属区域，用于连接旁路铜柱、辅助铜柱以及下桥臂驱动端子，导电金属区域再满足绝缘要求情况下采用尽可能大面积铜以增强电流流通能力和模块导热能力。

进一步的，与顶部功率衬底类似，底部功率衬底为典型的三层结构，上表面金属层划分为若干金属区域，用于半导体芯片的电气连接和热量传导，中间陶瓷层用于绝缘和导热，下表面金属层通过基板或直接与散热器相连，实现模块的散热功能。

进一步的，与顶部功率衬底下表面金属层类似，底部功率衬底上表面金属层设置若干导电金属区域，用于连接旁路铜柱、辅助铜柱、功率端子、上桥臂驱动端子以及设置功率芯片，导电金属区域再满足绝缘要求情况下采用尽可能大面积铜以增强电流流通能力和模块导热能力。

进一步的，同一桥臂上所有并联的功率芯片具有相同的排布方向，在旁路铜柱的基础上设置辅助铜柱实现栅极回路(控制回路)的栅极引线和源极引线或者是门极回路(控制回路)的门极引线和发射极引线的开尔文连接，从而大大减弱共源极电感/共射极电感，使模块更加可靠，达到可靠驱动的效果。

进一步的，上下桥臂驱动端子在空间上异侧排布且设置于不同功率衬底之上，从而减小了不同桥臂芯片组驱动信号之间的干扰，进一步增加模块驱动的稳定性。

进一步的，直流正极功率端子和直流负极功率端子在空间上同侧排布且分别设置于底部功率衬底和顶部功率衬底，可以很容易设计叠层母排结构，实现多模块的组合串并联，耦合电容的设置可以最大程度避免将功率端子以外的电感引入换流回路，进一步提高模块的稳定性。

进一步的，本发明使用旁路铜柱，对于每一个并联支路的芯片组，设置一个旁路铜柱，可以结合模块内功率芯片的布局灵活设置铜柱位置，并且可以通过灵活改变改变铜柱的形状，使并联回路支路的寄生电感分布更加均匀，以及令各芯片散热环境基本相同，容易实现对多芯片并联的均流以及均温。

进一步的，上下桥臂芯片组的各个功率芯片均具有两个主要导热路径，功率芯片除通过底部功率衬底直接进行热传导散热外还可以通过紧邻的旁路铜柱向顶部功率衬底传导热量，从而极大减小芯片到外界的热阻。

综上所述，本发明使用基于旁路铜柱散热的功率模块，旁路铜柱的设置既对功率模块进行了机械支撑，实现双面散热，还提供了立体的导电通路、双面的导热通路，整体结构紧凑，缩小了模块体积，从而提高了整个模块的电学性能、热性能和力学性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中顶部功率衬底结构与导电金属区域布局图；

图3为本发明实施例中底部功率衬底结构与导电金属区域布局图；

图4为本发明实施例中宽禁带功率芯片、驱动端子、功率端子、旁路铜柱位置示意图；

图5为本发明实施例中旁路铜柱、辅助铜柱的结构和位置示意图；

图6为本发明实施例中上桥臂并联芯片导热路径示意图；

图7为本发明实施例中下桥臂并联芯片导热路径示意图；

图8为本发明实施例中直流功率端子加耦合电容示意图；

图9为本发明实施例中功率模块与翅柱式液冷散热器集成的情况示意图。

其中：100.顶部功率衬底；101.顶部上表面金属层；102.顶部绝缘介质层；103.顶部下表面金属层；111.顶部第一导电区域；112.顶部第二导电区域；113.顶部第三导电区域；114.顶部第四导电区域；115.顶部第五导电区域；116.顶部第六导电区域；200.底部功率衬底；201.底部上表面金属层；202.底部绝缘介质层；203.底部下表面金属层；204.交流功率端子；205.直流功率正极端子；206.直流功率负极端子；211.底部第一导电区域；212.底部第二导电区域；213.底部第三导电区域；214.底部第四导电区域；215.底部第五导电区域；216.底部第六导电区域；217.底部第七导电区域；218.底部第八导电区域；219.底部第九导电区域；220.底部第十导电区域；301.上桥臂旁路铜柱；302.下桥臂旁路铜柱；501.第一半导体芯片；502.第二半导体芯片；503.第三半导体芯片；504.第四半导体芯片；505.第五半导体芯片；506.第六半导体芯片；601.上桥臂半导体芯片第一导热路径；602.上桥臂半导体芯片第二导热路径；603.下桥臂半导体芯片第一导热路径；604.下桥臂半导体芯片第二导热路径；701.第一耦合电容；702.第二耦合电容。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。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。

本发明提供了一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，适用于多个宽禁带半导体功率芯片并联的大电流等级功率模块；若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片排布在功率基板上表面的导电金属基板上；顶部功率衬底以及底部功率衬底由旁路铜柱和辅助铜柱进行支撑连接；旁路铜柱的布局设计使得功率模块中并联芯片散热环境相似、热耦合一致，达到芯片均温的效果；旁路铜柱的热量传递能力提供芯片向顶部功率衬底传导热量的通道，大幅提高芯片散热能力。

请参阅图1，本发明一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，包括：

顶部功率衬底100、底部功率衬底200、旁路铜柱、辅助铜柱、驱动端子、功率端子以及宽禁带半导体芯片。

宽禁带半导体芯片设置在顶部功率衬底100和底部功率衬底200之间，宽禁带功率半导体芯片与底部功率衬底200上导电金属区域的功率回路之间通过键合线连接，宽禁带功率半导体芯片与顶部功率衬底100上导电金属区域的功率回路之间通过旁路铜柱以及辅助铜柱连接；功率端子设置在底部功率衬底200的上表面，用于连接直流电和交流电；驱动端子分别设置在顶部功率衬底100下表面的导电金属区域，以及底部功率衬底200上表面的导电金属区域，通过若干宽禁带功率半导体芯片构成半桥结构的上桥臂和下桥臂。

请参阅图2，顶部功率衬底100从上到下依次包括顶部上表面金属层101、顶部绝缘介质层102和顶部下表面金属层103，顶部上表面金属层101和顶部下表面金属层103由铜或铝制成顶部绝缘介质层102由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成。

顶部下表面金属层103上划分有若干导电区域，包括顶部第一导电区域111、顶部第二导电区域112、顶部第三导电区域113、顶部第四导电区域114、顶部第五导电区域115和顶部第六导电区域116。

请参阅图3，底部功率衬底200从上到下依次包括底部上表面金属层201、底部绝缘介质层202和底部下表面金属层203，底部上表面金属层201和底部下表面金属层203由铜或铝制成，底部绝缘介质层202由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成。

底部上表面金属层201上设置有若干导电区域，包括底部第一导电区域211、底部第二导电区域212、底部第三导电区域213、底部第四导电区域214、底部第五导电区域215、底部第六导电区域216、底部第七导电区域217、底部第八导电区域218、底部第九导电区域219和底部第十导电区域220。

请参阅图3和图4，宽禁带半导体功率芯片包括设置于底部第五导电区域215的若干上桥臂芯片和设置于底部第三导电区域213的若干下桥臂芯片，上桥臂芯片和下桥臂芯片的数量相同，相邻上桥臂芯片之间，以及相邻下桥臂芯片之间的间距相同。

请参阅图4，驱动端子包括：

设置于底部第七导电区域217和底部第十导电区域220处的开尔文上桥臂源极端子；

设置于底部第八导电区域218和底部第九导电区域219处的上桥臂栅极端子；

设置于顶部第一导电区域111处的开尔文下桥臂源极端子；

设置于顶部第二导电区域112处的下桥臂栅极端子。

功率端子包括：

设置于底部第一导电区域211处的直流功率负极端子206；

设置于底部第五导电区域215处的直流功率正极端子205；

设置于底部第六导电区域216处的交流功率端子204。

请参阅图4和图5，旁路铜柱在水平方向与并联的宽禁带半导体芯片组对应设置、在垂直方向上位于顶部功率衬底100和底部功率衬底200之间；旁路铜柱采用单质铜或铜合金材料制成。

旁路铜柱包括上桥臂旁路铜柱301和下桥臂旁路铜柱302；上桥臂旁路铜柱301设置在底部第五导电区域215处；下桥臂旁路铜柱302设置在底部第三导电区域213处。

辅助铜柱包括多个，与旁路铜柱平行设置，多个辅助铜柱用于和旁路铜柱共同承担顶部功率衬底100和底部功率衬底200的机械连接以及电气连接的作用。

本发明基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块的工作原理具体如下：

模块接入电路运行时，被设置于底部功率衬底的宽禁带半导体芯片会产生大量热量，成为模块内部的主要热源，为了避免温度过高使得模块发生失效，芯片产生的热量必须被快速传导出去。在本模块中，芯片除了通过其所在的功率衬底向外传导热量这一传统导热路径外，还可以通过旁路铜柱向与其所在功率衬底对应设置的另一个功率衬底传导热量，从而在紧凑的空间布局中实现芯片热量的快速传导，大幅提高模块散热能力，进而实现高功率密度大电流等级功率模块。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1和图4，本实施例的封装结构由2组共6个宽禁带功率半导体芯片、2个旁路铜柱、2个功率衬底、3个功率端子组成。

6个宽禁带功率半导体芯片具体为第一半导体芯片501、第二半导体芯片502、第三半导体芯片503、第四半导体芯片504、第五半导体芯片505以及第六半导体芯片506；

2个旁路铜柱具体为上桥臂旁路铜柱301以及下桥臂旁路铜柱302；

2个功率衬底具体为顶部功率衬底100以及底部功率衬底200；

3个功率端子具体为直流功率正极端子205、直流功率负极端子206以及交流功率端子204。

本实施例包括两组3个并联共8个宽禁带功率半导体芯片，构成经典半桥结构的上下桥臂开关管，实际工作中能够根据需求增加或减少并联芯片数来改变同流能力或者增加减少串联芯片数来改变耐压能力，也可以根据需求增加反并联二极管芯片。

需要特别指出的是，本发明所提及到的宽禁带半导体功率芯片根据实际需求也可以替换为非宽禁带半导体功率芯片。

旁路铜柱的作用是传导热量、电气连接和机械支撑作用，其材质可以是单质铜或其他导热导电性能连号的金属及合金，根据使用环境和可靠性要求选择不同的材质，实例中旁路铜柱为长条矩形状，也可根据实际芯片位置和导电金属区域布局灵活调整形状；

顶部功率衬底100和底部功率衬底200通常为包括但不限于直接键合铜陶瓷基板、活性金属钎焊陶瓷覆铜基板等。

顶部绝缘介质层102和底部绝缘介质层202为氧化铝、氮化铝、氮化硅等陶瓷物质或者其他的绝缘介质，执行绝缘与导热的功能。

顶部功率衬底100和底部功率衬底200上下表面的导电金属层是导电金属，多数为铜和铝。

顶部功率衬底100的顶部上表面金属层101和底部功率衬底200的底部下表面金属层203用于执行连接散热器、提高散热效率的功能。

顶部功率衬底100的顶部下表面金属层103和底部功率衬底200的底部上表面金属层201用于执行电气连接、传导热量的功能。

旁路铜柱及辅助铜柱

请参阅图4和图5，旁路铜柱是本发明中封装结构的核心技术；顶部功率衬底100和底部功率衬底200由旁路铜柱支撑连接；旁路铜柱设置应桥臂并联半导体芯片旁、位于同一底部功率衬底导电区域；

旁路铜柱设计原则是在保证电气间隙和爬电距离的情况下，尽可能使铜柱底面积大、位置靠近和电气连接的芯片组、形状尽可能使并联芯片组的散热环境相似或一致。

旁路铜柱的设计原则和提高空间利用率相一致，能够在紧凑的布局条件下实现至少两点热学性能优势，第一是在原有的向下导热路径的基础上为芯片提供向上的顶部导热路径，同样的工况条件、同样的功率半导体芯片下，与传统的功率模块相比，芯片到环境的热阻会降低很多，因此芯片温度会降低，意味着能够承载更大的功率等级；第二是使得组成桥臂的并联芯片散热环境相似、热耦合一致，工作状态下各芯片温度一致实现均温能够极大地提高功率模块整体的可靠性，详细来说，一致的芯片温度能够保证一致的输出特性，从而保证并联芯片之间的动态均流，另外芯片温度的一致能够保证芯片与衬底、键合线粘接层的可靠性，避免在某个粘接层发生失效进而出现热失控的现象。若干辅助铜柱的高度和2个旁路铜柱高度一致，主要执行电气连接和辅助加强机械支撑作用。

在本实施例中每一个半导体芯片各有两条主要导热路径：

一是通过芯片所在底部功率衬底的导电金属区域向底部散热；

二是通过与芯片设置在底部功率衬底同一导电金属区域的旁路铜柱向顶部散热。

上桥臂上第一半导体芯片501、第二半导体芯片502和第三半导体芯片503三个并联支路半导体芯片散热路径一致，以第三半导体芯片503为例说明上桥臂芯片主要导热路径：

请参阅图6，上桥臂半导体芯片第一导热路径601从第三半导体芯片503出发，依次纵向经过底部第五导电区域215、底部绝缘介质层202、底部下表面金属层203后向外界环境传导热量；

上桥臂半导体芯片第二导热路径602从第三半导体芯片503出发，横向经过底部第五导电区域215局部、依次纵向经过上桥臂旁路铜柱301、顶部第四导电区域114、顶部绝缘介质层102和顶部上表面金属层101向外界传导热量。

下桥臂芯片与上桥臂芯片主要导热路径相似，以第四半导体芯片504为例说明下桥臂芯片2条主要导热路径：

请参阅图7，下桥臂半导体芯片第一导热路径603从第四半导体芯片504出发，依次纵向经过底部第三导电区域213、底部绝缘介质层202和底部下表面金属层203向外界环境传导热量；

下桥臂半导体芯片第二导热路径604从第四半导体芯片504出发，横向经过底部第三导电区域213的局部、依次纵向经过下桥臂旁路铜柱302、顶部第三导电区域113、顶部绝缘介质层102和顶部上表面金属层101向外界传导热量。

驱动回路包括上桥臂驱动回路和下桥臂驱动回路。

上桥臂驱动回路包括：

上桥臂栅极驱动端子、底部第八导电区域218以及底部第九导电区域219、辅助铜柱、顶部第六导电区域116以及顶部第五导电区域115、辅助铜柱、底部第四导电区域214、栅极键合线；源极键合线、底部第三导电区域213、辅助铜柱、顶部第三导电区域113、辅助铜柱、底部第七导电区域217以及底部第十导电区域220和上桥臂源极驱动端子。

下桥臂驱动回路具体包括：

下桥臂栅极驱动端子、顶部第二导电区域112、辅助铜柱、底部第二导电区域212、栅极键合线；源极键合线、底部第一导电区域211、辅助铜柱、顶部第一导电区域111和下桥臂源极驱动端子。

使用辅助铜柱将驱动回路能够简单地使用栅极引线和源极引线的开尔文连接，极大降低共源极电感，消除功率回路对驱动回路的负面影响，从而提高多芯片均流的效果和功率模块在不同工况下的运行可靠性。

功率端子与解耦电容

请参阅图8和图9，直流功率正极端子205、直流功率负极端子206集成第一耦合电容701和第二耦合电容702。这种紧凑的排列方式便于设计叠层母排来减少功率端子引入的寄生电感对功率模块的影响，并且可以很容易地集成解耦电容，从而进一步消除由功率端子外接电路引入的寄生电感对功率模块的影响以及减小功率模块的高频电磁干扰对其他部件的影响。

本发明实现了一个半桥结构，这种结构(可以由一个或者多个结构串并联)能够构成但不限于三相逆变全桥电路、同步整流器、单相逆变全桥等直流-交流、直流-直流、交流-交流和交流-直流变流电路。

本发明的封装结构中，使用旁路铜柱实现为每个芯片提供两条主要导热路径以及顶部与底部功率衬底的机械连接、芯片与顶部功率衬底的热学连接以及电学连接，大大降低芯片到环境的热阻。旁路铜柱的位置、形状、高度可以根据芯片和导电金属区域布局灵活设置，提高空间利用率。

本发明的封装结构中，所有芯片的热耦合均大幅度降低，并且所有芯片之间的热耦合程度较为均等，因此能够获得较高的传热效率和均匀的芯片结温。本发明的封装结构中，所有半导体芯片产生的热量有两个传递路径，因此大幅度减小了芯片到环境的热阻。

综上所述，本发明一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，封装结构能够在非常大的电流等级、非常高的开关频率下可靠地工作，也可以在芯片结温达到200℃～350℃下工作(取决于封装材料、运行的环境等)，从而充分发挥了宽禁带功率半导体的优越性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，包括若干串联或并联的宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片设置在顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间，顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间通过旁路铜柱和辅助铜柱支撑连接；

宽禁带功率半导体芯片与底部功率衬底(200)的上导电金属区域功率回路之间通过键合线连接，宽禁带功率半导体芯片与顶部功率衬底(100)的上导电金属区域功率回路之间通过旁路铜柱以及辅助铜柱连接，通过若干宽禁带功率半导体芯片构成半桥结构的上桥臂和下桥臂；

在底部功率衬底(200)的上表面设置有功率端子；顶部功率衬底(100)下表面的导电金属区域以及底部功率衬底(200)上表面的导电金属区域分别设置有驱动端子。

2.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，顶部功率衬底(100)从上到下依次包括顶部上表面金属层(101)、顶部绝缘介质层(102)和顶部下表面金属层(103)，顶部下表面金属层(103)上划分有若干导电区域。

3.根据权利要求2所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，若干导电区域包括顶部第一导电区域(111)、顶部第二导电区域(112)、顶部第三导电区域(113)、顶部第四导电区域(114)、顶部第五导电区域(115)和顶部第六导电区域(116)，顶部第一导电区域(111)和顶部第二导电区域(112)与驱动端子连接，顶部第三导电区域(113)和顶部第四导电区域(114)与宽禁带功率半导体芯片的导热路径连接，顶部第五导电区域(115)和顶部第六导电区域(116)连接驱动回路。

4.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，底部功率衬底(200)从上到下依次包括底部上表面金属层(201)、底部绝缘介质层(202)和底部下表面金属层(203)，底部上表面金属层(201)上设置有若干导电区域。

5.根据权利要求4所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，若干导电区域包括底部第一导电区域(211)、底部第二导电区域(212)、底部第三导电区域(213)、底部第四导电区域(214)、底部第五导电区域(215)、底部第六导电区域(216)、底部第七导电区域(217)、底部第八导电区域(218)、底部第九导电区域(219)和底部第十导电区域(220)；底部第一导电区域(211)、底部第五导电区域(215)和底部第六导电区域(216)与功率端子连接，底部第二导电区域(212)、底部第四导电区域(214)、底部第七导电区域(217)、底部第八导电区域(218)、底部第九导电区域(219)和底部第十导电区域(220)分别与对应驱动回路连接，底部第三导电区域(213)与旁路铜柱连接；宽禁带半导体功率芯片包括设置于底部第五导电区域(215)上的若干上桥臂芯片，以及设置于底部第三导电区域(213)上的若干下桥臂芯片。

6.根据权利要求5所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，上桥臂芯片和下桥臂芯片的数量相同，相邻上桥臂芯片之间，以及相邻下桥臂芯片之间的间距相同。

7.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，驱动端子包括设置在底部功率衬底(200)的底部上表面金属层(201)上的开尔文上桥臂源极端子和上桥臂栅极端子；设置在顶部功率衬底(100)的顶部下表面金属层(103)上的开尔文下桥臂源极端子和下桥臂栅极端子。

8.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，功率端子包括分别设置在底部功率衬底(200)的底部上表面金属层(201)上的直流功率负极端子(206)、直流功率正极端子(205)和交流功率端子(204)，直流功率正极端子(205)和直流功率负极端子(206)之间设置有第一耦合电容(701)和第二耦合电容(702)。

9.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，旁路铜柱在水平方向与并联的宽禁带半导体芯片组对应设置，在垂直方向上位于顶部功率衬底(100)和底部功率衬底(200)之间，设置在底部功率衬底(200)的底部上表面金属层(201)上；辅助铜柱包括多个，与旁路铜柱平行设置。

10.根据权利要求1所述的基于旁路铜柱散热的宽禁带功率半导体模块，其特征在于，上桥臂处的宽禁带功率半导体芯片处设置有上桥臂半导体芯片第一导热路径(601)和上桥臂半导体芯片第二导热路径(602)；上桥臂半导体芯片第一导热路径(601)一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端依次经底部功率衬底(200)上底部上表面金属层(201)的导电区域、底部功率衬底(200)的底部绝缘介质层(202)和底部功率衬底(200)的底部下表面金属层(203)传导热量；上桥臂半导体芯片第二导热路径(602)的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端横向经过底部功率衬底(200)上底部上表面金属层(201)的导电区域后，纵向依次经过旁路铜柱、顶部下表面金属层(103)的导电区域、顶部功率衬底(100)的顶部绝缘介质层(102)，以及顶部功率衬底(100)的顶部上表面金属层(101)向外界传导热量；

下桥臂处的宽禁带功率半导体芯片处设置有下桥臂半导体芯片第一导热路径(603)和下桥臂半导体芯片第二导热路径(604)；下桥臂半导体芯片第一导热路径(603)的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端依次纵向经过底部功率衬底(200)上底部上表面金属层(201)处的导电区域，底部功率衬底(200)的底部绝缘介质层(202)，以及底部功率衬底(200)的底部下表面金属层(203)向外传导热量；下桥臂半导体芯片第二导热路径(604)的一端与宽禁带功率半导体芯片连接，另一端横向经过底部功率衬底(200)上底部上表面金属层(201)处的导电区域，再依次纵向经过旁路铜柱，顶部功率衬底(100)上顶部下表面金属层(103)处的导电区域，顶部功率衬底(100)的顶部绝缘介质层(102)，以及顶部功率衬底(100)的顶部上表面金属层(101)向外传导热量。

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