一种功率半导体模块衬底及功率半导体模块的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种功率半导体模块衬底及功率半导体模块。

背景技术：

功率半导体模块在工作情况下的工作电流有限，当实际电流超出额定电流时，容易导致功率半导体模块内部的芯片过温失效，影响功率半导体模块的正常运行。因此，在功率半导体模块处于工作状态时，为保证其运行的可靠性，需要对其进行电流检测。

由于功率半导体模块内的半导体芯片的热时间常数小、温度变化快，快速、准确的对功率半导体模块进行电流检测对于实现功率半导体模块的有效保护十分重要。

为了减小应用功率半导体模块的系统的体积，提高功率密度，使其适合新能源汽车等对集成度和体积要求较高的应用领域，可以将用于检测电流的电流传感器集成在功率半导体模块内部。但是，现有的在功率半导体模块内部集成电流传感器的方法，往往需在功率半导体模块的衬底或功率端子上增加额外的分流或导流结构，导致功率半导体模块的制造工艺复杂，并且提高了功率半导体模块的制造成本。

因此，针对现有的集成有电流传感器的功率半导体模块的制造工艺复杂、制造成本较高的问题，需要提供一种结构简单、成本较低的功率半导体模块。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种功率半导体模块衬底及功率半导体模块，能够直接在为功率电流提供通路的第四金属敷层和第五金属敷层上设置电流传感器，其结构简单、制造成本较低。

为实现上述目的，本发明提供了一种功率半导体模块衬底，包括第一金属敷层、第二金属敷层、第三金属敷层、第四金属敷层和第五金属敷层，第一金属敷层、第二金属敷层和第三金属敷层依次连接，第四金属敷层和第五金属敷层分别与第一金属敷层连接；其中，

第四金属敷层上设有第一隔断结构，使第四金属敷层分为第一敷层单元和第二敷层单元，第一隔断结构上设有第一电流传感器，第一电流传感器将第一敷层单元和第二敷层单元连接；第五金属敷层上设有第二隔断结构，使第五金属敷层分为第三敷层单元和第四敷层单元，第二隔断结构上设有第二电流传感器，第二电流传感器分将第三敷层单元和第四敷层单元连接。

进一步地，第一金属敷层与第四金属敷层、第五金属敷层连接为一体结构，第一金属敷层与第二金属敷层、第二金属敷层与第三金属敷层分别通过连接装置连接。

进一步地，第三金属敷层上设有用于导通负极功率电流的负极功率端子引脚，第四金属敷层和第五金属敷层上分别设有用于导通正极功率电流的正极功率端子引脚。

进一步地，第二金属敷层与第三金属敷层连接为一体结构，第一金属敷层与第四金属敷层、第一金属敷层与第五金属敷层、第一金属敷层与第二金属敷层分别通过连接装置连接。

进一步地，第三金属敷层上设有用于导通正极功率电流的正极功率端子引脚，第四金属敷层和第五金属敷层上分别设有用于导通负极功率电流的负极功率端子引脚。

进一步地，第一电流传感器设有一对第一信号端子，第一信号端子中的一个与第一敷层单元连接，第一信号端子中的另一个与第二敷层单元连接；第二电流传感器设有一对第二信号端子，第二信号端子中的一个与第三敷层单元连接，第二信号端子中的另一个与第四敷层单元连接。

进一步地，第一信号端子与第一电流传感器的间距、第二信号端子与第二电流传感器的间距分别小于3mm。

本发明还提供了一种功率半导体模块，包括上述的功率半导体模块衬底。

进一步地，第一金属敷层与第四金属敷层、第五金属敷层连接为一体结构，并且安装第一功率半导体芯片；第二金属敷层上安装第二功率半导体芯片；第二金属敷层通过连接装置与第一功率半导体芯片的第一功率电极连接；第三金属敷层通过连接装置与第二功率半导体芯片的第二功率电极连接。

进一步地，第一金属敷层上安装第一功率半导体芯片；第二金属敷层与第三金属敷层连接为一体结构，并且安装第二功率半导体芯片；第四金属敷层、第五金属敷层分别通过连接装置与第一功率半导体芯片的第一功率电极连接；第一金属敷层通过连接装置与第二功率半导体芯片的第二功率电极连接。

本发明的功率半导体模块衬底及功率半导体模块，其直接在为功率电流提供通路的第四金属敷层上设置能够将第四金属敷层分为两部分的第一隔断结构、在为功率电流提供通路的第五金属敷层上设置能够将第五金属敷层分为两部分的第二隔断结构，并在第一隔断结构和第二隔断结构上设置分别与两部分第四金属敷层连接的第一电流传感器和与两部分第五金属敷层连接的第二电流传感器，以将用于电流检测的电流传感器直接集成于功率半导体模块中，无需增加复杂的分流或者导流结构，与现有技术相比，本发明的功率半导体模块衬底及功率半导体模块结构简单且制造成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的功率半导体模块衬底的金属敷层布置示意图；

图2为本发明一个实施例的金属敷层的连接结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的金属敷层的连接结构示意图；

图4为本发明一个实施例的金属敷层和功率半导体芯片的连接结构示意图；

图5为图4所示实施例的等效电路图；

图6为本发明另一个实施例的金属敷层和功率半导体芯片的连接结构示意图；

图7为图6所述实施例的等效电路图。

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。

本发明实施例的一种功率半导体模块衬底，包括第一金属敷层、第二金属敷层、第三金属敷层、第四金属敷层和第五金属敷层。其中，第一金属敷层、第二金属敷层和第三金属敷层依次连接，第四金属敷层和第五金属敷层分别与第一金属敷层连接。

在本发明实施例中，多个金属敷层的布局如图1所示，第一金属敷层1、第二金属敷层2、第三金属敷层3相互平行布置，第四金属敷层4和第五金属敷层5为长条结构，布置于第一金属敷层1、第二金属敷层2和第三金属敷层3的两侧，并且第四金属敷层4和第五金属敷层5沿垂直于第一金属敷层1、第二金属敷层2和第三金属敷层3的方向布置。这种布局中的第四金属敷层4和第五金属敷层5能够导通所有功率电流，便于直接集成安装电流传感器。

如图2-3所示，在本发明实施例中，第四金属敷层4上设有第一隔断结构7，第一隔断结构7能够将第四金属敷层4分为两部分，即第四金属敷层4被分为第一敷层单元18和第二敷层单元19，第一敷层单元18和第二敷层单元19之间绝缘设置。第一隔断结构7上设有第一电流传感器8，第一电流传感器8将第一敷层单元18和第二敷层单元19连接，使两部分第四金属敷层4导通。第五金属敷层5上设有第二隔断结构10，第二隔断结构10能够将第五金属敷层5分为两部分，即第五金属敷层5被分为第三敷层单元20和第四敷层单元21，第三敷层单元20和第四敷层单元21之间绝缘设置。第二隔断结构10上设有第二电流传感器11，第二电流传感器11将第三敷层单元20和第四敷层单元21连接，使两部分第五金属敷层5导通。

因此，本发明实施例的功率半导体模块衬底，能够将用于电流检测的电流传感器直接集成于功率半导体模块中，无需增加复杂的分流或者导流结构，与现有技术相比，本发明的功率半导体模块衬底及功率半导体模块结构简单且制造成本低。

在本发明实施例中，第一电流传感器8可以设有一对第一信号端子9，第一信号端子9中的一个与第一敷层单元18连接，第一信号端子9中的另一个与第二敷层单元19连接。第二电流传感器11设有一对第二信号端子12，第二信号端子12中的一个与所第三敷层单元20连接，第二信号端子12中的另一个与第四敷层单元21连接。为了减小第一电流传感器8、第二电流传感器11的电阻以及对电流信号的干扰，第一信号端子9与第一电流传感器8的间距、第二信号端子12与第二电流传感器11的间距分别小于3mm。

在本发明实施例中，第一电流传感器8、第二电流传感器11可以分别为小阻值电阻，其具有带宽高、速度快、测量精确的优点。

为了满足不同的功率半导体模块的线路连接需求，本发明实施例的功率半导体模块衬底的多个金属敷层具体可以有以下两种连接结构：

图2为本发明一个实施例的金属敷层的连接结构示意图。

如图2所示，第一金属敷层1与第四金属敷层4的第一敷层单元18、第五金属敷层5的三敷层单元连接为一体结构，使第一金属敷层1、第四金属敷层4和第五金属敷层5形成第一电势区6。第一金属敷层1与第二金属敷层2、第二金属敷层2与第三金属敷层3分别通过连接装置电连接。

在图2所示实施例中，导通功率电流的功率端子13引脚可以分为数量相等的两组，一组布置在第四金属敷层4和第五金属敷层5上，另一组布置于第三金属敷层3上。具体地，第三金属敷层3上可以设有用于导通负极功率电流的负极功率端子引脚，第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上可以分别设有用于导通正极功率电流的正极功率端子引脚，正极功率端子引脚平均分配于第四金属敷层4和第五金属敷层5上，即第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上的正极功率端子引脚的数量相同。

图3为本发明另一个实施例的金属敷层的连接结构示意图。

如图3所示，第二金属敷层2与第三金属敷层3连接为一体结构，使第二金属敷层2和第三金属敷层3形成第二电势区14。第一金属敷层1与第四金属敷层4的第一敷层单元18、第一金属敷层1与第五金属敷层5的三敷层单元、第一金属敷层1与第二金属敷层2分别通过连接装置连接。

在图3所示实施例中，导通功率电流的功率端子13引脚可以分为数量相等的两组，一组布置在第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上，另一组布置于第三金属敷层3上。具体地，第三金属敷层3上可以设有用于导通正极功率电流的正极功率端子引脚，第四金属敷层4和第五金属敷层5上可以分别设有用于导通负极功率电流的负极功率端子引脚，负极功率端子引脚平均分配于第四金属敷层4和第五金属敷层5上，即第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上的负极功率端子引脚的数量相同。

本发明实施例还提供了一种功率半导体模块，包括本发明实施例的功率半导体模块衬底。功率半导体模块衬底，包括第一金属敷层1、第二金属敷层2、第三金属敷层3、第四金属敷层4和第五金属敷层5。其中，在第一金属敷层1上设有第一功率半导体芯片15，在第二金属敷层2上设有第二功率半导体芯片16。第一金属敷层1、第二金属敷层2和第三金属敷层3依次连接，第四金属敷层4和第五金属敷层5分别与第一金属敷层1连接。

在本发明实施例中，第四金属敷层4上设有第一隔断结构7，第一隔断结构7能够将第四金属敷层4分为两部分，即第四金属敷层4被分为第一敷层单元18和第二敷层单元19，第一敷层单元18和第二敷层单元19之间绝缘设置。第一隔断结构7上设有第一电流传感器8，第一电流传感器8将第一敷层单元18和第二敷层单元19连接，使两部分第四金属敷层4导通。第五金属敷层5上设有第二隔断结构10，第二隔断结构10能够将第五金属敷层5分为两部分，即第五金属敷层5被分为第三敷层单元20和第四敷层单元21，第三敷层单元20和第四敷层单元21之间绝缘设置。第二隔断结构10上设有第二电流传感器11，第二电流传感器11将第三敷层单元20和第四敷层单元21连接，使两部分第五金属敷层5导通。

图4为本发明一个实施例的金属敷层和功率半导体芯片的连接结构示意图。

如图4所示，第一金属敷层1与第四金属敷层4的第一敷层单元18、第五金属敷层5的三敷层单元连接为一体结构，使第一金属敷层1、第四金属敷层4和第五金属敷层5形成第一电势区6，并且在第一电势区6安装第一功率半导体芯片15。第二金属敷层2上安装第二功率半导体芯片16。第二金属敷层2通过连接装置17与第一功率半导体芯片15的上表面的第一功率电极连接，第三金属敷层3通过连接装置17与第二功率半导体芯片16的上表面的第二功率电极连接。导通功率电流的功率端子13引脚可以分为数量相等的两组，一组布置在第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上，另一组布置于第三金属敷层3上。具体地，导通正极功率电流的正极功率端子引脚布置于第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上，导通负极功率电流的负极功率端子引脚布置于第三金属敷层3上。

如图5为图4所示实施例的等效电路图。其中，第一电阻R1为第一电流传感器8的内阻，第二电阻R2为第二电流传感器11的内阻，由于第一电流传感器8和第二电流传感器11并联设置，因此，等效电路中的第一电阻R1和第二电阻R2并联连接。第一晶体管T1为第一功率半导体芯片15，第二晶体管T2为第一功率半导体芯片16，第一晶体管T1和第二晶体管T2组成半桥结构，并且第一晶体管T1通过并联的第一电阻R1和第二电阻R2与正极功率电流连接，第二晶体管T2与负极功率电流连接。此时，通过上桥臂第一晶体管T1的电流等于通过第一电阻R1和第二电阻R2的电流之和，因此，可通过测量第一电流传感器8和第二电流传感器11的电流计算通过上桥臂第一功率半导体芯片15的电流。

图6为本发明另一个实施例的金属敷层和功率半导体芯片的连接结构示意图。

如图6所示，第一金属敷层1上安装第一功率半导体芯片15.第二金属敷层2与第三金属敷层3连接为一体结构，使第二金属敷层2和第三金属敷层3形成第二电势区14，并且在第二电势区14安装第二功率半导体芯片16。第四金属敷层4的第一敷层单元18、第五金属敷层5的三敷层单元分别通过连接装置17与第一功率半导体芯片15的上表面的第一功率电极连接，第一金属敷层1通过连接装置17与第二功率半导体芯片16的上表面的第二功率电极连接。导通功率电流的功率端子13引脚可以分为数量相等的两组，一组布置在第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上，另一组布置于第三金属敷层3上。具体地，导通正极功率电流的正极功率端子引脚布置于第三金属敷层3上，导通负极功率电流的负极功率端子引脚布置于第四金属敷层4的第二敷层单元19和第五金属敷层5的第四敷层单元21上。

如图7为图6所示实施例的等效电路图。其中，第一电阻R1为第一电流传感器8的内阻，第二电阻R2为第二电流传感器11的内阻，由于第一电流传感器8和第二电流传感器11并联设置，因此，等效电路中的第一电阻R1和第二电阻R2并联连接。第一晶体管T1为第一功率半导体芯片15，第二晶体管T2为第一功率半导体芯片16，第一晶体管T1和第二晶体管T2组成半桥结构，并且第一晶体管T1通过并联的第一电阻R1和第二电阻R2与负极功率电流连接，第二晶体管T2与正极功率电流连接。此时，通过下桥臂第一晶体管T1的电流等于通过第一电阻R1和第二电阻R2的电流之和，因此，可通过测量第一电流传感器8和第二电流传感器11的电流计算通过下桥臂第一功率半导体芯片15的电流。

综上所述，本发明实施例的功率半导体模块衬底及功率半导体模块，在能够在功率半导体模块衬底中直接集成电流传感器，无需在功率半导体模块衬底上增加复杂的分流或导流结构，制造方法简单，制造成本低。并且，由于本发明实施例的功率半导体模块衬底及功率半导体模块采用小阻值电阻作为电流传感器，还具有带宽高、速度快、测量精确的优点。

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。