[發明專利]基于導電金屬夾扣互連的多芯片寬禁帶功率模塊封裝結構

有效

• 申請號: 202010324003.6
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111540730B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 王來利;張彤宇;楊奉濤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L25/065
• 分類號: H01L25/065;H01L23/48;H01L23/14;H01L23/367
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種基于導電金屬夾扣互連的多芯片寬禁帶功率模塊封裝結構，包括功率基板、導電金屬夾扣、功率端子、驅動端子以及電子電子功率半導體芯片，適用于多個寬禁帶半導體功率芯片并聯的大電流等級功率模塊。若干串聯或并聯的電力電子功率半導體芯片排布在功率基板上表面的導電金屬基板上；功率回路中使用導電金屬夾扣替代傳統的鋁鍵合線完成功率模塊中功率回路的電氣連接；導電金屬夾扣的布局設計使得功率模塊中并聯支路的寄生電感分布均勻度得到極大提升，達到并聯芯片均流的效果；相鄰芯片的間距相同保證散熱條件幾乎相同，達到芯片均溫的效果；導電金屬夾扣接頭的形狀設計降低了工作產生的熱?機械應力，提升了功率模塊的可靠性；導電金屬夾扣的熱量傳遞能力使功率模塊實現雙面散熱結構。

技術領域

本發明屬于半導體封裝技術領域，具體涉及一種基于導電金屬夾扣互連的多芯片寬禁帶功率模塊封裝結構。

背景技術

功率模塊是將一系列電力電子功率芯片按照一定的功能進行封裝集成形成的一種模塊，比起由分立的電力電子功率器件組成的電力電子變流器，功率模塊具有高可靠性和高集成性的特點，在電學性能、熱性能、安全防護、成本等方面有很高的優越性。

近年來，隨著電力電子器件的不斷發展，諸如石油鉆探、電動汽車、艦載系統、航空航天等重要領域的應用環境的要求不斷提高、節約能源口號的提出等的影響，功率模塊正在向小型化、高功率密度、高可靠性、低損耗的方向發展。特別是新一代寬禁帶功率半導體(碳化硅、氮化鎵等)器件正在各個工業領域中逐漸取代傳統的硅器件，使得使用寬禁帶功率半導體的功率模塊能夠在更高的環境溫度下工作，這就意味功率模塊能夠更加容易地在石油鉆探、電動汽車、航空航天等極端環境下工作，并且能夠減少散熱系統成本，甚至改變功率模塊的散熱方式，由主動散熱(強迫風冷、液冷)轉換為被動散熱(自然散熱)；更小的開關損耗能夠在更高頻下工作，減小無源部件特別是濾波部分的體積。但是現有的封裝結構卻遠遠無法發揮寬禁帶功率半導體的優勢，主要表現在以下幾個方面：

1、傳統的功率模塊適用于大面積的硅基半導體功率芯片，這些器件通常并聯的個數不多，并且要反并聯一個功率二極管，而寬禁帶功率半導體開關芯片面積很小，必須要多個并聯以達到更大的電流等級，并且由于其優異的體二極管特性，可以選擇反并聯或者不反并聯功率二極管芯片；

2、傳統功率模塊在電氣連接上大多以鋁鍵合線作為互連方式，其特點是單面傳送熱量，這種散熱方式稱為單面散熱，散熱效率低，電力電子芯片到周圍環境的熱阻較大，非常不利于功率模塊在惡劣環境下使用；鋁鍵合線在高溫應用下容易在鍵合點處發生老化甚至脫落，導致功率模塊失效，不利于功率模塊在極端環境中的應用；由于鋁鍵合線的通流面積較小，一根鍵合線通過的電流有限，在需要通過大電流的功率模塊中就需要使用多達二十根以上的鍵合線，這既使功率模塊制作工藝復雜化，也因為空間利用率不足而增大了功率模塊的體積；

3、傳統功率模塊較難實現芯片的均流與均溫，而這在高工作頻率、惡劣環境下是至關重要的。芯片動態電流不均主要是因為芯片并聯支路的寄生電感分布不均，寄生電感的分布不均會造成功率芯片在開關瞬態受到不均等的電流電壓應力，極有可能發生功率芯片的擊穿失效，這在寬禁帶半導體功率器件中造成的影響更加明顯；同時，動態電流不均可以使芯片的損耗不均，進而使芯片的溫度不均，導致不同芯片的粘接層的老化和失效的速率不同，并且通過影響芯片的閾值電壓而加劇并聯芯片的動態電流不均現象，進一步加速功率模塊整體的失效。

一些公司使用銅片替代傳統的鍵合鋁線來完成功率半導體的互連，但連接部位的形狀沒有經過特別設計，從而在工作狀態下在銅片與焊層上產生較大的應力，降低功率模塊的使用壽命；另外，這種方法目前只被應用于單功率芯片的連接，無法滿足高功率大電流的應用場合。

綜上所述，寬禁帶功率半導體器件的優良特性的發揮十分受限于傳統的功率模塊的封裝結構，因此需要一種新型的封裝結構來克服傳統功率模塊的缺點，將多個并聯的寬禁帶半導體功率芯片集成在一個功率模塊中，從而充分發揮寬禁帶器件的優良特性。

發明內容