电功率模块的制作方法

1.本发明涉及高功率密度封装双面冷却封装结构的多个半导体功率晶体管，这种封装方法减少了热阻，改进了栅极控制信号的完整性，降低了材料成本，同时需要的生产工艺步骤更少。


背景技术：

2.封装在半桥电路结构中的半导体功率晶体管通常用于实现直流(dc)到交流(ac)功率逆变器电路、ac到dc功率转换器电路和dc到dc功率转换器电路。在这种功率转换电路中使用的半导体功率晶体管会散热。以有效的方式将散发的热量从封装中传导出去对于最大化这种半导体功率晶体管可以处理的功率，同时最小化半导体功率晶体管封装的尺寸和成本是重要的。
3.通过减少半导体功率晶体管管芯和封装散热器之间的材料层和材料键合层的数量，可以最小化半导体功率晶体管管芯和封装散热器之间的热阻。减少材料和材料键合层的数量进一步减少了所需的生产工艺步骤的数量，从而降低了封装成本。
4.通过改进半导体功率晶体管技术提高了晶体管开关速度，大概为几纳秒内几十个安培。半导体功率晶体管封装的寄生源极电感与快速开关电流瞬变相结合会导致与控制栅极信号相反的瞬态电压尖峰，如果这种瞬态电压尖峰不加以缓解，可能会导致开关性能显著下降，在某些情况下会导致器件出现故障。
5.半导体功率晶体管管芯和基板之间的焊接在受到热循环引起的应力的影响时，通常会限制封装的可靠性。使用热循环耐久性提高的替代键合方法来改进整体封装可靠性。
6.半导体功率晶体管封装内的杂散电感和与外部电路的连接会在快速晶体管开关事件期间导致过电压瞬变。如果不加以缓解，这种过电压瞬变会导致半导体功率晶体管失效。虽然可以通过增加栅极电阻来降低晶体管开关速度以抑制这种过电压瞬变，但是晶体管开关速度的这种降低会增加开关损耗，这是不可取的。
7.并联多个半导体功率晶体管可能会导致栅极信号谐振振荡到并联驱动的晶体管。如果不减轻这种振荡，可能会导致动态均流出现巨大变化，以及并联晶体管之间出现结温变化，从而导致性能损失和可能的器件故障。
8.本发明旨在提供解决一个或多个上述问题的实施例。包括对半导体功率晶体管的封装和冷却的改进的本公开描述了允许功率半导体开关以最佳性能、最高功率密度和最低成本操作的实施例。
附图说明
9.图1示出了根据本发明某些实施例的示例性半桥电路。
10.图2示意性地示出了根据本发明某些实施例的半导体功率晶体管管芯的横截面。
11.图3示出了根据本发明某些实施例的示例性电栅极驱动电路结构。
12.图4示出了根据本发明某些实施例的示例性双面冷却封装结构的横截面。
13.图5示出了根据本发明某些实施例的第一基板子组件的示例性结构。
14.图6示出了根据本发明某些实施例的第二基板子组件的示例性结构。
15.图7示出了根据本发明某些实施例的封装结构的示例性侧视图横截面。
16.图8示出了根据本发明某些实施例的第二基板子组件的另一示例性结构。
17.通过参考接下来的具体实施方式可以最佳理解本发明的实施例和它们的优点。应当理解，相似的附图标记用于指示一张或多张附图中示出的相似的元件，其中所示是为了说明本发明的实施例而不是为了限制本发明的保护范围。
具体实施方式
18.本发明涉及半导体功率晶体管的封装以及用于最大化功率密度同时最小化封装的晶体管与外部散热器之间的热阻的设备和方法。
19.本发明提供了解决一个或多个上述问题的实施例。描述了对封装和冷却结构的改进的本发明，描述了允许封装的半导体功率晶体管更高效、更可靠、具有更高功率密度和更具成本效益的实施例。
20.图1示意性地示出了本发明的两个功率开关的半桥电气配置100。在某些实施例中，两个半桥功率开关110和130中的每一个可以包括一个或多个并联连接的半导体功率晶体管。限定高侧功率开关110的晶体管的正功率端子电连接到正电压外部端子150，并且限定功率开关110的晶体管的负功率端子170电连接到中点端子160。限定低侧功率开关130的晶体管的正功率端子电连接到中点端子160，并且限定功率开关130的晶体管的负功率端子电连接到负电压外部端子170。限定功率开关110和130的半导体功率晶体管通过它们各自的栅极控制信号部分120和140来控制。
21.在某些实施例中，封装可以包括二极管结构110a和130a，二极管结构110a和130a包括多个半导体二极管管芯，该多个半导体二极管管芯分别与高侧和低侧功率开关110、130并联连接。
22.图2示意性地示出了根据本发明某些实施例的半导体功率晶体管管芯200的示例性内部结构的横截面。半导体功率晶体管管芯200的示意图示出了正功率端子焊盘210、负功率端子焊盘220和晶体管栅极端子焊盘230。在某些实施例中，半导体功率晶体管包括金属氧化物半导体场效晶体管mosfet或绝缘栅双极晶体管igbt结构。正负功率端子分别对应于mosfet晶体管结构中的漏极端和源极端。正负功率端子分别对应于igbt晶体管结构中的集电极端和发射极端。
23.在某些实施例中，mosfet或igbt晶体管结构可以由硅、碳化硅、氮化镓、另一种iii-v半导体或其他半导体材料形成。
24.本发明的某些实施例可用于实现直流(dc)到交流(ac)功率逆变器电路、ac到dc功率转换器电路和dc到dc功率转换器电路。这种功率转换电路会产生热量作为副产品。大部分热量是由封装内的半导体功率晶体管产生的。本发明的某些实施例提供了更有效和更均匀的方式以通过封装的顶面和底面散热。
25.图3示意性地示出了本发明的各种半导体功率晶体管电栅极驱动电路实施例。电路300a示意性地示出了公共栅极驱动电路。具有栅极驱动电源电压vdd 320a的栅极驱动器320具有电连接到负电位350的返回路径，该负电位350通过串联连接的寄生电感lp 330电
连接到半导体功率晶体管310的负功率端子310b。该寄生电感330是功率半导体封装内的电互连结构以及功率半导体封装外部的栅极驱动电路320的寄生效应的结果。栅极驱动器320通过向半导体功率晶体管的栅极端子310c施加栅极控制信号320b来控制半导体功率晶体管310。当半导体功率晶体管310的栅极端子310c和负功率端子310b之间的电压vgn 310d高于某个器件特定电压阈值时，半导体功率晶体管310导通。同样，当vgn 310d低于某个器件特定阈值时，半导体功率晶体管关断。栅极控制电压vgn 310d还受寄生电感lp 330和晶体管导通和关断瞬态期间电流变化率(di/dt)的影响。栅极控制电压vgn 310d与寄生电感vind 330a两端的电压相反。有效栅极控制电压vgn 310d可以表示为：
[0026][0027]
为了减轻寄生电感lp 330对栅极控制电压vgn 310d的影响，具有开尔文栅极返回信号350的替代电路300b直接连接到功率半导体功率晶体管的负功率端子。本发明的某些示例性实施例包括电气实现开尔文栅极返回信号350的封装互连结构。本发明的示例性实施例300c实现了为多个并联连接的半导体功率晶体管管芯200实现公共栅极控制信号320c的结构。电路300c示意性地示出了三个并联连接的半导体功率晶体管管芯200。本发明的另一个示例性实施例300d包括封装互连结构和多个电阻元件310e，该多个电阻元件310e与多个并联连接的半导体功率晶体管管芯中的每一个串联电连接。本发明的一个优点是与每个单独的半导体功率晶体管管芯200串联的电阻元件310e抑制了栅极控制信号320c上的电压纹波，这种电压波纹是由这种并联连接的半导体功率晶体管管芯200的栅极控制信号终端之间的谐振振荡引起。
[0028]
图4示意性地示出了根据本发明某些实施例的示例性半桥半导体功率晶体管封装的内部结构的横截面。半导体功率晶体管管芯400a的一个实例实施高侧功率开关110。半导体功率晶体管管芯400b的第二实施例实施低侧功率开关130。封装10包括第一基板41，第一基板41具有示例性外部覆铜层415a和示例性内部覆铜层415c、415d和415e，而外部和内部覆层通过基板芯材415b电隔离。封装10还包括示例性第二基板44，该第二基板44具有示例性外部覆覆铜层445a和示例性内部覆铜层445c、445d、445e和445f，其中外部覆层和内部覆层通过基板芯材445b电隔离。在某些示例性实施例中，这样的第一和第二基板41、44可以是直接键合铜(dbc)基板、活性金属钎焊(amb)基板或直接镀铜(dpc)基板。
[0029]
第二实例低侧功率晶体管管芯400b的正功率端子焊盘210通过接合层450b直接电接合和热接合到第一基板41的覆层415c，其中这种覆层415c形成中间-点端子电连接160。低侧功率晶体管管芯400b的负功率端子焊盘220通过竖直间隔件425b和接合层430b、420b电接合和热接合到覆层445c，其中覆层445c形成负电压外部端子电连接170。
[0030]
高侧功率晶体管管芯400a的正功率端子焊盘210通过接合层450a直接电接合和热接合到第二基板的覆层445d，其中覆层445d形成正电压外部端子电气连接150。高侧功率晶体管管芯400a的负功率端子焊盘220通过竖直间隔件425a和接合层430a、420a电接合和热接合到覆层415c，其中覆层415c形成中间点端子电连接160。
[0031]
在某些示例性实施例中，接合层420a、430a、450a、420b、430b和450b通过烧结接合来实现。可以使用包含银、铜、铂、钯或金颗粒、微粒或纳米颗粒的糊剂或膜来形成烧结接合。与焊接接合相比，本发明的烧结接合的优点是显著降低热循环疲劳，从而提高了接合层
的耐久性，并且降低了热阻，从而提高了冷却性能。
[0032]
在某些实施例中，间隔件425a、425b可以由导电和导热金属合金制成，金属合金包括铜合金、si填充的almg合金或具有必需的导热性和导电性的其他合金。
[0033]
在某些示例性实施例中，引线键合结构定义了晶体管管芯400b的栅极端子焊盘230与定义栅极控制信号320b互连结构的覆层415e之间的电气连接以及晶体管管芯400b的负功率端子焊盘220和共同定义开尔文栅极返回信号互连结构的覆铜层415d之间的电连接。示例性引线键合结构相应地在晶体管400a的栅极端子焊盘230和负功率端子焊盘220之间与第二基板上的相应覆铜层445f和445e进行电连接，从而形成栅极控制320b和开尔文返回信号互连结构。在其他实施例中，晶体管400a、400b的栅极和功率端子焊盘220、230可以引线键合到引线框架引脚，或者引线框架引脚可以直接键合到栅极230和功率端子焊盘220而无需键合线。
[0034]
晶体管400a产生的热量通过接合层450a、内部覆铜层445e、基板芯445b、外部覆铜层445a、散热器接合层410b部分地传播和传递，并通过示例性外部散热器405b散热。晶体管400a产生的热量进一步通过接合层430a、间隔件425a、接合层420a、内部覆铜层415c、基板芯415b、外部覆铜层415a、散热键合层410a部分地扩散和传递，并且通过示例性外部散热器405a散热。从晶体管管芯400a到散热器405b的热阻成比例地低于从管芯400a到散热器405a的热阻。从管芯400a到散热器405a的成比例较高的热阻是由间隔件425a和接合层420a引入的附加热阻以及间隔件425a的横截面积小于管芯400a的总面积引起的。由于本发明的倒置互补结构，管芯400b到散热器405a的热阻要比管芯400b到散热器405b的热阻成比例地低。这种互补的热阻关系导致两个散热器上的热通量集中度更低，冷却性能更均匀，允许管芯400a和400b的水平间距更近，从而可以减小双面冷却封装的尺寸和成本，实现相同的热性能。本发明的一个优点是减少了晶体管400a、400b与外部散热器405a、405b之间的材料层和材料接合层的数量。
[0035]
在某些示例性实施例中，散热器405a、405b可以是空气冷却的。在其他示例性实施例中，散热器405a、405b可以是液体冷却的。在一些示例性实施例中，散热器405a、405b可以是平板、翅片、具有微通道的板或具有其他微结构的板。在一些实施例中，散热器405a、405b可以由铜合金、铝合金或其他金属合金构成。
[0036]
在一些示例性实施例中，散热器接合层410a、410b可以通过焊接形成。在某些实施例中，接合层410a、410b可以使用包括银、铜、铂、钯或金颗粒、微粒或纳米颗粒的糊剂或膜烧结形成。在其他实施例中，接合层410a、410b可以由导热粘合剂形成。在其他实施例中，接合层410a、410b可以由包括导热膏和导热垫的热界面材料形成。
[0037]
密封剂460至少包围第一和第二基板之间形成的空腔。本发明的一个优点是密封剂460提供机械结构支撑，防止湿气和污染物进入以及功率半导体晶体管和封装内部互连结构的电隔离。在一些示例性实施例中，密封剂460可以包含聚合物，例如环氧树脂、聚酯、聚氨酯或其他塑料。
[0038]
图5示出了包括示例性第一基板子组件的实施例的俯视图。该实施例示出了包括四个并联连接的功率半导体晶体管管芯200的低侧功率开关130的示例性实施例。
[0039]
示例性栅极控制信号320c互连结构包括接合到覆铜层形状520的铜引线框架引脚505a，其通过导线560b、570b、580b、590b进一步单独接合到每个单独的半导体功率晶体管
管芯200的栅极端子焊盘230。
[0040]
用于返回信号360的示例性开尔文栅极互连结构包括接合到覆铜层形状510的铜引线框架引脚505b，其通过导线560a、570a、580a、590a进一步单独接合到每个单独的半导体功率晶体管管芯实例的负功率端子焊盘220。
[0041]
半导体功率晶体管管芯负功率端子220示意性地示为560c、570c、580c和590c。
[0042]
接合到每个半导体功率晶体管管芯实例的负功率端子焊盘的间隔件425b的顶面由附图标记560d、570d、580d和590d示出。
[0043]
中点端子160的示例性互连结构包括接合到覆铜层形状530的电源引线框架引脚505d，其进一步接合到每个半导体功率晶体管管芯实例的正功率端子焊盘。本发明的一个优点是覆铜层530的大连续表面积，其使阻抗最小化，从而导致热传导损耗更低，同时使高侧和低侧功率开关110、130中的晶体管管芯之间的杂散电感最小化，从而提高开关性能，并进一步提高了封装的结构刚度。
[0044]
在本公开的另一个示例性实施例中，接合到覆铜层530的铜引线框架引脚505c提供到中点端子160的外部电感测连接，用于实现外部过电流检测电路。
[0045]
图6示出了包括示例性第二基板子组件的实施例的俯视图。该实施例说明了包括四个并联的功率半导体晶体管管芯200的高侧功率开关110的示例性实施例。
[0046]
栅极控制信号320c的示例性互连结构包括接合到覆铜层形状620的铜引线框架引脚605a，其通过导线660b、670b、680b和690b进一步单独接合到每个单独的半导体功率晶体管管芯200的栅极端子焊盘230。
[0047]
开尔文栅极返回信号360的示例性互连结构包括接合到覆铜层形状610的铜引线框架引脚605b，其进一步通过导线660a、670a、680a和690a单独接合到每个单独的半导体功率晶体管管芯实例的负功率端子焊盘220。
[0048]
半导体功率晶体管负功率端子示意性地示为660c、670c、680c和690c。
[0049]
接合到每个半导体功率晶体管管芯实例的负功率端子焊盘的间隔件425a的顶面由660d、670d、680d和690d示出。
[0050]
正电压外部端子150的示例性互连结构包括接合到覆铜层形状630的电源引线框架引脚605d。示例性负电压外部端子170互连结构包括接合到覆铜层形状640的电源引线框架引脚605e，其进一步接合到每个单独的半导体功率晶体管管芯实例的正功率端子焊盘。本发明的结构的一个优点是与半桥电路配置100的正电压外部端子150和负电压外部端子170相对应的覆铜层630和640的紧密平行接近。这种平行接近抑制150和170之间的寄生环路电感，从而降低开关瞬态电压过冲幅度。
[0051]
接合到覆铜层630的示例性实施例铜引线框架引脚605c提供到正电压外部端子的外部电感测连接，用于实现外部过电流检测电路。
[0052]
本发明的一个优点是通过将一个电源引线框架引脚505d接合到第一基板，并将另外两个电源引线框架引脚605d和605e接合到第二基板来实现。电源引线框架引脚的宽度和同一平面内的电源引线框架引脚数量驱动封装的整体宽度。通过将三个电源引线框架分隔在两个平行平面中，每个基板一个平面，可以减小封装的总宽度。两个引线框架的成本是铜引线框架材料成本的两倍。相比之下，每块基板的单位面积材料成本比每根铜引线框架的材料成本高出30倍以上。本发明所允许的封装宽度的减小提高了整体功率密度并降低了整
体材料成本。
[0053]
图7示出了两个侧视图横截面并且对于包括分别用于每个高侧110和低侧130功率开关的四个并联连接的功率半导体晶体管管芯的封装的示例性实施例。
[0054]
横截面平面穿过包括高侧功率开关110的半导体功率晶体管管芯200。横截面平面穿过包括低侧功率开关130的半导体功率晶体管管芯200。
[0055]
示例性电源引线框架引脚505d通过接合层712接合到第一基板上的覆铜层形状630。示例性电源引线框架引脚605d和605e分别通过接合层714和724接合到第二基板的覆铜层形状630、640。示例性信号引线框架引脚505c通过接合层715接合到第二基板上的覆铜层形状530。信号引线框架引脚605c通过接合层725接合到第二基板上的覆铜层形状630。在本发明的某些示例性实施例中，引线框架引脚接合层712、714、715、724和725可以通过焊接、超声波焊接形成，或者在某些实施例中，引线框架引脚接合层712、714、715、724和725可以使用包含银、铜、铂、钯或金颗粒、微粒或纳米颗粒的糊剂或膜形成。
[0056]
在本发明的一个示例性实施例中，除了超出密封剂的引线框架引脚505c、605c，暴露的电源引线框架引脚表面711、713、723，以及外部覆铜层415a、445a之外，封装和引线框架引脚均由密封剂360密封。暴露的大表面积电源引线框架引脚表面711、713、723的优点是允许形成到外部母线的低阻抗连接。母线与电源引线框架引脚表面711、713、723的低阻抗接合的一个示例性实施例包括焊接接合。在本发明的一些示例性实施例中，可以使用超声波焊接、激光焊接或电子束焊接来形成这种焊接接合。
[0057]
间隔件425a和425b的高度由i)第一基板41的内部覆铜层形状(415c、415d、415e)和第二基板42的内部覆铜层形状(445c、445d、445e、445f)之间的所需电气间隙和ii)第一基板505d上的电源引线框架引脚和第二基板605d和605e上的电源引线框架引脚所决定。最小电气间隙取决于特定应用的最大工作电压和密封剂460材料的耐压特性。在一个示例性实施例中，间隔件425a和524b的高度为2.4mm。通常，空间425a、425b的高度将在1.5mm和5.0mm之间。
[0058]
图8示出了本发明的一个实施例的俯视图，该实施例包括示例性的第二基板子组件。该实施例示出了具有四个并联连接的功率半导体晶体管管芯200的示例性实施例，功率半导体晶体管管芯20包括高侧功率开关110，其中各个电阻元件实例810a、810b、810c、810d分别电串联连接在栅极控制信号320c的互联结构和每个单独的半导体功率晶体管管芯200的栅极端子焊盘230之间。这种电阻元件的一个示例性实施例可以包括焊接到覆铜层的表面贴装金属膜电阻器。
[0059]
本发明的另一个示例性实施例包括温度传感装置850，其具有第一端子和第二端子，第一端子接合到进一步接合到引线框架引脚830a的覆铜层形状840a，第二端子接合到进一步接合到引线框架引脚830b的覆铜层形状840b。在其他示例性实施例中，第一端子可以是烧结接合器，其接合到覆铜层形状840a，并且第二端子可以是导线，其接合到覆铜层形状840b。在某些示例性实施例中，这种温度传感装置850可以是热敏电阻、热电偶或电阻温度检测器(rtd)。这种温度传感装置850可以被外部电路用来监测封装内部温度以进行诊断、热功率削减控制或热关断控制。
[0060]
本发明的某些示例性实施例还可以包括示例性能量吸收缓冲装置800，用于抑制由半导体功率晶体管200的开关引起的瞬态电压振荡。能量吸收缓冲装置电连接在正电压
外部端子150和负电压外部端子170之间。缓冲装置的示例性实施例可以是阻容(rc)缓冲装置800，其包括串联连接的电容器800a和电阻器800c，这两者实现为半导体管芯，半导体管芯的底面对应于其外部电容器端子800b及其顶面对应于其外部电阻端子800d。在本发明的某些示例性实施例中，多个这样的缓冲管芯820a和820b中的每个管芯使其各自的端子800b焊料或烧结接合到覆铜层形状630，并使端子800d使用多条接合线接合到覆铜层形状640。本发明中的能量吸收缓冲装置800的优点包括降低了半导体功率晶体管上的电压应力，以及降低了高频电压振荡。
[0061]
在上述说明书中，已经参考特定实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员将理解的，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以以各种其他方式修改或实施本文公开的各种实施例。因此，该描述被认为是说明性的并且是为了教导本领域技术人员制作和使用所公开的发明的各种实施例。应当理解，本文所示和描述的公开形式将被视为代表性实施例。等效的元件、材料、工艺或步骤可以代替本文代表性地说明和描述的那些元件、材料、工艺或步骤。此外，本公开的某些特征可以独立于其他特征的使用而使用，这对于本领域技术人员在受益于本公开的该描述之后将是显而易见的。
[0062]
如本文所用，术语“包括”、“包含”、“具有”，或其任何上下文变体旨在涵盖非排他性包含。例如，包括元件列表的过程、产品、物品或设备不一定仅限于那些元件，而是可以包括未明确列出或这类过程、产品、物品或设备所固有的其它元件。此外，除非有明确的相反说明，否则“或”是指包含性的或，而不是排他性的或。例如，条件“a或b”满足以下任一条件：a为真(或存在)且b为假(或不存在)，a为假(或不存在)且b为真(或存在)，并且a和b都为真(或存在)。
[0063]
还应当理解，附图/图中描绘的一个或多个元件也可以以更加分离或集成的方式实现，或者甚至在某些情况下其可被移除或不可操作，正如根据特定应用是有用的。