一种双面冷却的功率半导体模块制造技术

一种双面冷却的功率半导体模块。所述的功率半导体模块（100）含有至少两个功率半导体芯片（107、106），其位于第一衬底（115）和第二衬底（103）之间。每个衬底均由三层结构组成：中间一层为高导热的电绝缘层，电绝缘层的上层和下层为金属层。所述的金属层含有电路结构，通过焊接实现功率半导体芯片、正极端子、负极端子、交流输出端子和栅极控制端子之间的互联。功率半导体芯片的栅极控制端子位于该芯片的中间或边角处。一块凹形冷却板倒扣安装在第一衬底（115）上的绝缘层（117）或第一金属层（215a）上，另一块平板状冷却板水平布置在第二衬底（103）下面。所述的功率半导体芯片的热量通过第一衬底（115）和第二衬底（103）传导至两块冷却板散热，从而实现双面冷却。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率半导体模块。
技术介绍
随着混合动力汽车,纯电动汽车,太阳能发电和风力发电等技术的发展，大功率的变流器得到了广泛的应用。为了满足高功率密度的要求，逆变器的体积小型化成为了人们关注的热点。然而体积的缩小对功率半导体模块的散热和冷却提出了较高的要求。 目前车用大功率半导体模块普遍采用水循环单面冷却和双面冷却的方法。专利US2008079021A1中提及车用尤其混合动力汽车用的功率半导体的芯片，其结温可能达到175°C甚至达到200°C，过高的芯片结温大大的降低了功率半导体模块的循环次数。为了延长功率半导体模块的寿命，该专利中提出了几种冷却的方法。虽然此专利通过改进冷却板的结构在一定程度上提高了功率密度，但是由于仅仅是单面冷却很难达到良好的冷却效果。另外此专利对于功率半导体芯片例如IGBT和二极管之间的连接采用金属键合线的方法，此方法在高温条件下由于热疲劳，键合线容易脱落，降低了模块的可靠性。专利US7696532B2中所述的功率半导体模块采用了双面冷却的方法，提高了模块的冷却效果，但是该专利所述的功率半导体芯片的栅极控制端子位于芯片的一端，控制端可以通过引线引出，方便了功率半导体芯片例如IGBT的集电极和发射极的焊接。然而目前常用的IGBT或者MOSFET芯片的控制极端子常位于芯片的中心，这种结构的芯片采用传统的双面冷却方法很难实现有效的双面冷却。此外该专利中并没有给出多芯片并联形式下双面冷却的衬底设计方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，提出一种无引线的多芯片并联的双面冷却功率半导体模块的封装结构。本专利技术可降低芯片结壳热阻，降低芯片的结温，同时降低了模块的杂散电感，从而大大提高功率半导体模块的功率密度。本专利技术采用的技术方案如下本专利技术功率半导体模块由功率半导体芯片、衬底、冷却板、正极端子、负极端子、交流输出端子、栅极引出端子和发射极引出端子等组成。所述的功率半导体模块含有至少两个功率半导体芯片至少一个全控型功率半导体芯片和至少一个不控型功率半导体芯片。所述的功率半导体芯片位于第一和第二衬底之间。每个衬底均由三层结构组成衬底的中间一层为高导热的电绝缘层，电绝缘层的上层和下层为金属层。所述的金属层含有电路结构，通过焊接实现功率半导体芯片和所述的正极端子、负极端子和交流输出端子之间的互联。所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制端子位于该芯片的中间或位于该芯片的边角处。所述的冷却板有两块，其中第一冷却板为凹形，倒扣安装在第一衬底上面，第二冷却板为平板状，水平布置在第二衬底下面。所述的功率半导体芯片的热量通过第一衬底传导至第一冷却板进行散热，同时功率半导体芯片的热量也通过第二衬底传导至第二冷却板，从而实现双面冷却。第一和第二冷却板之间通过螺栓固定，形成功率半导体模块的外壳。外壳内的空间填充有树脂。所述的全控型功率半导体芯片如IGBT，MOSFET等，不控型功率半导体芯片如硅基二极管或碳化硅基二极管等。一个全控型功率半导体芯片和一个反并联的不控型功率半导体芯片连接组成一个单元，多个单元并联以实现大功率。为实现双面冷却，全控型功率半导体芯片的栅极控制端子位于芯片的边角处，从而简化双面冷却模块的设计难度。然而目前市场中常见的全控型功率半导体芯片的栅极控制端通常位于芯片的中心，若采用传统的方法很难实现双面冷却。本专利技术通过金属化过孔将全控型功率半导体芯片的栅极控制端子连接到衬底的金属层，通过所述的金属层实现多个栅极控制端子的并联。因此本专利技术既适用于栅极控制端子位于中心的全控型功率半导体芯片，也适用于栅极控制端子位于边角的全控型功率半导体芯片。功率半导体器件通过软焊料焊接于所述衬底的金属层上，防止芯片被挤压损坏。衬底的电绝缘层可以采用氧化铝，氮化铝或者氮化硅等高导热材料制作，衬底的金属层的材料可以为铜、铝或者铜的合金等。功率半导体芯片通过衬底的金属层的电路结构实现互连。功率半导体芯片产生的热量经过衬底最终传导至冷却板。所述的冷却板本身可以带有冷却通道，可以在第二冷却板设置冷却通道实现准双面冷却，也可以在第一冷却板和第二冷却板均设置冷却通道。所述的冷却通道内通入冷却液，还可以采用其他冷却方式。功率半导体模块中的正极端子，负极端子，交流输出端子伸出所述模块的外面，用于连接其他部件。全控型功率半导体芯片中的栅极控制端和发射极同样伸出所述模块之夕卜，以实现与外部电路的连接。所述的功率半导体模块由于采用多个功率半导体芯片并联的结构，因此可以增大功率半导体模块的通流能力，同时由于功率半导体芯片的上下两个表面均可以散热，提高了功率半导体模块的功率密度，因此本专利技术特别适合于混合电动汽车或者纯电动汽车中体积小功率大冷却液温度高的场合。本专利技术功率半导体芯片之间的互联通过金属层电路焊接来实现，避免了使用键合线连接，因此大大提高了功率半导体模块的可靠性。总之，本专利技术可以实现模块优异的热管理能力和更高的温度循环与功率循环能力。附图说明图I为本专利技术实施例一的截面示意图；图2为本专利技术实施例一的第一衬底的俯视图； 图3为本专利技术实施例一的第一衬底的仰视图；图4为本专利技术实施例一的第二衬底的俯视图；图5为本专利技术实施例一的功率半导体芯片通过衬底连接到第二冷却板的俯视图；图6为本专利技术实施例一的多个功率半导体芯片并联结构图；图7为本专利技术实施例一的第二金属层芯片层和第三金属层分解示意图；图8为本专利技术实施例二的截面示意图；图9为本专利技术实施例二的功率半导体芯片通过衬底连接至第二冷却板的俯视图；图10为本专利技术实施例二的IGBT和反并联二极管俯视图11为本专利技术实施例二的第二金属层芯片层和第二衬底分解示意图；图12为本专利技术实施例二的第二金属层仰视图。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。如图I所示，本专利技术所述的功率半导体模块100由功率半导体芯片106、107，衬底103、115，冷却板101、112，正极端子121，负极端子123，交流输出端子122，栅极引出端子118，以及发射极引出端子119等组成。所述的功率半导体模块含有至少两个功率半导体芯片不控型功率半导体芯片106和全控型功率半导体芯片107，两个功率半导体芯片106、107并联,位于第一衬底115和第二衬底103之间。第一衬底115由第一金属层115a,第一绝缘层115b和第二金属层115c组成；第二衬底103由第三金属层103a第二绝缘层103b和第四金属层103c组成。如图2、3、4所示，所述的第一、第二、第三、第四金属层均具有电 路结构，所述的功率半导体芯片通过此电路结构和功率半导体模块的正极端子121，交流输出端子122和负极端子123连接，如图5，10所示。所述的全控型功率半导体芯片的栅极控制端子可以位于芯片的中心107b，也可以位于芯片的边角处205b。功率半导体芯片的热量通过第一衬底115传导至第一冷却板112进行散热，同时功率半导体芯片的热量也可以通过第二衬底103传导至第二冷却板101，进行散热。第一冷却底板112为凹形，倒扣安装于第一衬底上面，第二冷却板101水平布置在第二衬底下面，两块冷却板通过螺栓111固定在一起，形成本专利技术功率半导体模块100的外壳。外壳内的空间填充树脂120。实施例一本专利技术实施例的功率半导体模块是一种半桥形式的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟玉林，苏伟，孟金磊，温旭辉，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：