[发明专利]基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构

说明书

本发明公开了一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，不同桥臂的半导体功率芯片设置于不同的功率衬底上，减小模块的体积，极大提高了模块功率密度；功率垫片设置于顶部、底部功率衬底之间，起机械支撑和电气连接作用，在双面散热的基础上为每一个半导体功率芯片提供额外的散热路径，降低芯片之间热耦合程度，达到芯片均温效果，同时改善芯片散热环境；驱动回路与换流回路近于在空间上近于垂直，回路之间电磁耦合程度得到极大降低，模块可靠性得到进一步提升；换流回路使用导电金属带完成芯片所须的电气连接，模块寄生电感数值极大减小，其中源极导电金属带于连接处开有孔槽，可以使寄生电感分布均匀度得到提升，达到芯片均流效果。

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构。

背景技术

功率模块是将若干功率半导体芯片按照一定的功能组合再封装形成的一个模块。相较于分立的功率器件，功率模块具有高度的集成性，因此在电学性能、热学性能以及经济考量等方面具都显示出很大的优越性。

近年来，随着以新能源并网、高压直流输电、电动汽车、高铁、航空航天、脉冲功率为代表的产业的快速发展，电力电子系统对半导体功率模块的性能要求日益提高，促进功率模块不断朝着小型化、低损耗、高功率密度、高可靠性、高集成化的方向发展。作为新一代宽禁带半导体材料的碳化硅功率器件凭借远高于传统硅基器件的优异性能，使得使用注入碳化硅等宽禁带半导体功率芯片的模块在相同的电压电流等级下拥有更小的体积，且能工作在更高的温度及开关频率下。但是碳化硅器件基本沿用硅的封装技术，正在成为限制器件性能的瓶颈因素，主要表现为：

1、传统的功率模块针对于面积较大硅基的功率半导体芯片设计，在衬底的同一金属区域上排列的芯片个数较少且往往需要反并联功率二极管，而以碳化硅为代表的宽禁带半导体功率芯片的面积远小于硅且体二极管特性优异，从而可以选择不反并联二极管且往往模块内集成更多的芯片。

2、传统功率模块的热学性能难以满足宽禁带半导体功率芯片。传统的功率模块散热采用单面散热的方式，半导体功率芯片散热主要靠通过底部衬底、散热器单一散热路径进行散热，芯片到周围环境的热阻大，非常不利于功率模块在长期可靠运行；同时传统功率模块大多采用铝键合线的电气互联方式，在热量不能被很好散发的情况下，键合点处易发生连接失效，尽管碳化硅热导率高于硅，但芯片面积远小于硅，散热环境更加恶劣。传统模块封装材料在选择上与硅的热膨胀系数相匹配，然而宽禁带半导体材料热膨胀系数与硅相差较大，易发生热可靠性问题。

3、传统功率模块难以实现功率芯片的均流，而这一性能在高的开关频率下至关重要。寄生电感的不同会造成芯片的动态电流分布不均，芯片的温度差异、热耦合会造成芯片的静态电流分布不均。尤其由于宽禁带功率半导体芯片开关速度远高于硅，在动态开关过程中，更容易发生芯片的击穿和温度的差异扩大，从而进一步加速模块整体的失效进程。

综上所述，基于宽禁带半导体材料的功率芯片受到传统封装的限制，没有发挥出材料本身应具有的优异电学、热学性能。因此需要一种新型的适用于宽禁带半导体的模块封装来克服传统功率模块封装结构的不足和限制，发挥出宽禁带功率半导体芯片的优异性能。

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，提供一种基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构，对现有的模块散热技术以及互联技术同时进行改进和延伸，该封装形式特别适合于宽禁带功率半导体芯片同时兼容硅基器件。另外本发明特别适用于半桥结构多芯片、大电流的均温、均流、高工作温度与高开关频率。

本发明采用以下技术方案：