基于导电金属带的宽禁带半导体双面散热模块封装结构

1.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：

2.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。
3.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：
4.1、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。
5.2、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。
6.3、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。
7.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。


技术实现要素：

8.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。
9.本发明采用以下技术方案：
10.一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，包括顶部功率衬底和底部功率衬底，顶部功率衬底和底部功率衬底之间设置有功率垫片，顶部功率衬底和底部功率衬底分别连接有功率端子，功率端子与底部功率衬底之间，以及功率端子与底部功率衬底之间均设置有宽禁带功率半导体芯片，宽禁带功率半导体芯片通过导电金属带分别于底部功率衬底的上表面金属区域以及顶部功率衬底的下表面金属区域连接，底部功率衬底的上表面金属区域与驱动端子的上桥臂驱动端子连接，顶部功率衬底的下表面金属区域与驱动端子的下桥臂驱动端子连接。
11.具体的，顶部功率衬底从上到下依次包括顶部上表面金属层、顶部绝缘介质层和顶部下表面金属层。
12.进一步的，顶部下表面金属层上依次设置有顶部第一金属区域、顶部第二金属区域、顶部第三金属区域、顶部第四金属区域以及顶部第五金属区域，顶部第二金属区域连接直流侧功率垫片，顶部第三金属区域为开尔文源极金属区域；
13.下桥臂驱动端子包括第一下桥臂栅极驱动端子、第一下桥臂源极驱动端子、第二下桥臂栅极驱动端子以及第二下桥臂源极驱动端子；第一下桥臂栅极驱动端子和第二下桥臂栅极驱动端子设置在顶部第四金属区域的两端，第一下桥臂源极驱动端子和第二下桥臂源极驱动端子设置在顶部第三金属区域的两端。
14.具体的，底部功率衬底从上到下依次包括底部上表面金属层、底部绝缘介质层和底部下表面金属层。
15.进一步的，底部上表面金属层依次设置有底部第一金属区域、底部第二金属区域、底部第三金属区域以及底部第四金属区域，底部第三金属区域为开尔文源极金属区域；
16.上桥臂驱动端子包括底部第一栅极驱动端子、底部第一源极驱动端子、底部第二栅极驱动端子以及底部第二源极驱动端子；底部第一栅极驱动端子和底部第二栅极驱动端子设置在底部第二金属区域的两端，底部第一源极驱动端子和底部第二源极驱动端子设置在底部第三金属区域的两端。
17.具体的，宽禁带功率半导体芯片包括若干半导体芯片，若干半导体芯片分两组并联连接构成半桥结构的上桥臂和下桥臂，上桥臂处芯片设置在底部功率衬底的上表面金属层，下桥臂处芯片设置在顶部功率衬底的下表面金属层。
18.进一步的，两组半导体芯片的数量相同，同一组半导体芯片之间间距相同。
19.具体的，导电金属带包括源极导电金属带和栅极导电金属带，宽禁带功率半导体芯片设置在漏极金属区域上，宽禁带功率半导体芯片的漏极电极区域与漏极金属区域连接，宽禁带功率半导体芯片的栅极电极区域通过栅极导电金属带与栅极金属区域连接，禁带功率半导体芯片的源极电极区域通过源极导电金属带与开尔文源极金属区域和源极金属区域连接；源极导电金属带与禁带功率半导体芯片、开尔文源极金属区域和源极金属区
域的连接接触部位开有孔槽。
20.具体的，功率端子包括一个交流功率端子以及两个直流功率端子，两个直流端子为直流正极功率端子、直流负极功率端子，直流正极功率端子和交流功率端子设置在底部功率衬底上，直流负极功率端子设置在顶部功率衬底上。
21.进一步的，直流正极功率端子和直流负极功率端子之间设置有第一解耦电容和第二解耦电容。
22.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
23.本发明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，顶部以及底部功率衬底用于设置、功率端子、驱动端子、上下桥臂半导体芯片以及对外连接散热器，构成模块的外形框架，实现模块双面散热；长条柱状的功率垫片对模块进行可靠的机械支撑，同时紧邻半导体芯片设置，可以极大减小芯片之间的热耦合，并为每个功率半导体芯片提供额外的散热路径，在双面散热的基础上进一步增强模块的散热能力；导电金属带与半导体芯片配套设置用于实现模块内芯片的电气连接功能；功率端子以及驱动端子实现模块与外电路的电气连接。
24.进一步的，顶部功率衬底为典型的三层结构，上表面金属层通过基板或直接与散热器相连，实现模块的散热功能，中间陶瓷层用于绝缘和导热，下表面金属层划分为若干金属区域，用于半导体芯片的电气连接和热量传导。
25.进一步的，顶部功率衬底下表面金属层的源极金属区域和漏极金属区域采用大面积铜，极大增强了电流流通能力和模块导热能力，且在下表面金属层单独设置开尔文源极金属区域，通过导电金属带配合实现控制回路的栅极开尔文连接，极大减小换流回路与控制回路的共源极电感，同时实现驱动端子与功率端子分开引出，进一步消除功率回路对驱动回路的干扰影响。
26.进一步的，与顶部功率衬底类似，底部功率衬底为典型的三层结构，上表面金属层划分为若干金属区域，用于半导体芯片的电气连接和热量传导，中间陶瓷层用于绝缘和导热，下表面金属层通过基板或直接与散热器相连，实现模块的散热功能。
27.进一步的，与顶部功率衬底下表面金属层类似，底部功率衬底上表面金属层的源极金属区域和漏极金属区域采用大面积铜，极大增强了电流流通能力和模块导热能力，且在上表面金属层单独设置开尔文源极金属区域，通过导电金属带配合实现控制回路的栅极开尔文连接，极大减小换流回路与控制回路的共源极电感，同时实现驱动端子与功率端子分开引出，进一步消除功率回路对驱动回路的干扰影响。
28.进一步的，将上下桥臂半导体芯片分别设置于不同的功率衬底上，较于全部设置于同一功率衬底，分别设置一方面大大提高了空间利用率，实现模块的高功率密度；另一方面，单个衬底的发热芯片数量减少一半，模块的热学性能得到进一步提高。
29.进一步的，两组半导体芯片的数量相同，同一组半导体芯片之间间距相同设置的目的或好处上下桥臂两组半导体芯片数量相同、同组半导体等距设置保证了在模块工作时，模块内的每个半导体芯片处于相同或相似的电、热应力环境，从而实现模块的均流与均温。
30.进一步的，通过使用金属带实现芯片与功率衬底金属区域的互联，相比铝键合线连接，导电金属带具有更大的横截面接和更高的工作温度，在减低换流回路寄生电感的同
时具有更大的流通电流能力，源极导电金属带在与芯片和衬底金属区域的接触连接处开有孔槽，通过灵活调整孔槽的大小和位置使各芯片寄生电感分布更加均匀，从而实现了并联多芯片的均流。
31.进一步的，直流正极功率端子和直流负极功率端子在空间上同侧排布且分别设置于底部功率衬底和顶部功率衬底，可以很容易设计叠层母排结构，实现多模块的组合串并联以及解耦电容的安装；同时这种结构可以实现上下桥臂电流在空间中方向相反，负的互感削弱寄生电感。
32.进一步的，通过在直流功率端子之间设置解耦电容，避免在模块工作时将功率端子以外的电感引入回路，从而有效缓解模块开关状态时发生的电压、电流过冲及振荡现象，提高模块的稳定性。
33.综上所述，本发明得益于功率垫片、导电金属带的优化设计，驱动回路与换流回路的解耦设计，极大减小了宽禁带功率半导体芯片之间的热耦合和回路之间的电磁耦合，可以极大提高模块的热学性能、电学性能以及力学性能，从而充分发挥宽禁带功率半导体芯片的优良特性，使得功率模块可以可靠地工作在恶劣或极端的环境中。
34.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
35.图1为本发明实施例不含驱动端子及导电金属带的整体结构示意图；
36.图2为本发明实施例中底部功率衬底布局及上桥臂驱动端子结构示意图；
37.图3为本发明实施例中顶部功率衬底布局及下桥臂驱动端子结构示意图；
38.图4为本发明实施例中导电金属带的设置示意图；
39.图5为本发明实施例中半导体功率芯片散热路径示意图；
40.图6为本发明实施例中上桥臂驱动回路电流流通路径示意图；
41.图7为本发明实施例中下桥臂驱动回路电流流通路径示意图；
42.图8为本发明实施例中换流回路电流流通路径上桥臂部分示意图；
43.图9为本发明实施例中换流回路电流流通路径下桥臂部分示意图；
44.图10为本发明实施例中功率模块集成解耦电容及翅柱式散热器的示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
49.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
50.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
51.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
52.本发明提供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，采用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。
53.请参阅图1，本发明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，包括顶部功率衬底100、底部功率衬底200、功率垫片、功率端子、宽禁带功率半导体芯片400、驱动端子以及导电金属带。
54.功率垫片设置在顶部功率衬底100和底部功率衬底200之间，功率端子包括一个交流功率端子211以及两个直流功率端子，两个直流端子为直流正极功率端子210、直流负极功率端子110，直流正极功率端子210和交流功率端子211设置在底部功率衬底200上，直流负极功率端子110设置在顶部功率衬底100上；宽禁带功率半导体芯片400包括若干底部半导体芯片和若干顶部半导体芯片，若干底部半导体芯片和若干顶部半导体芯片共同构成半桥结构的上桥臂和下桥臂，底部半导体芯片设在功率端子与底部功率衬底200之间，顶部半导体芯片设置在功率端子与顶部功率衬底100之间的；驱动端子包括上桥臂驱动端子和下桥臂驱动端子，上桥臂驱动端子与底部功率衬底200的上表面金属区域连接，下桥臂驱动端
子与顶部功率衬底100的下表面连接；宽禁带功率半导体芯片400与功率衬底导电金属区域之间通过导电金属带连接，导电金属带包括源极导电金属带500和栅极导电金属带600，源极导电金属带500和栅极导电金属带600与宽禁带功率半导体芯片400配套设置，用于实现宽禁带功率半导体芯片400与顶部功率衬底100和底部功率衬底200金属之间的电气连接。
55.顶部功率衬底100的下表面设置有直流负极端子110、第一下桥臂驱动端子111、第二下桥臂驱动端子112、第三下桥臂驱动端子113、第四下桥臂驱动端子114以及第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405和第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406。
56.底部功率衬底200的上表面设置有直流正极功率端子210、交流极功率端子211、第一上桥臂栅极驱动端子212、第一上桥臂源极驱动端子213、第二上桥臂栅极驱动端子214、第二上桥臂源极驱动端子215以及第一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402和第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403。
57.请参阅图2，底部功率衬底200从上到下依次包括底部上表面金属层201、底部绝缘介质层202和底部下表面金属层203，底部绝缘介质层由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成；底部上表面金属层201由铜制成，底部下表面金属层203由铜或铝制成。底部上表面金属层201设置若干金属区域，包括底部第一金属区域221、底部第二金属区域222、底部第三金属区域223以及底部第四金属区域224，其中，底部第三金属区域223为开尔文源极金属区域。
58.上桥臂驱动端子包括第一上桥臂栅极驱动端子212、第一上桥臂源极驱动端子213、第二上桥臂栅极驱动端子214、第二上桥臂源极驱动端子215。第一上桥臂栅极驱动端子212和第二上桥臂栅极驱动端子214设置在底部第二金属区域222的两端，第一上桥臂源极驱动端子213和第二上桥臂源极驱动端子215设置在底部第三金属区域223的两端。
59.请参阅图1和图3，顶部功率衬底100从上到下依次包括顶部上表面金属层101、顶部绝缘介质层102和顶部下表面金属层103，顶部绝缘介质层由氧化铝、氮化铝或氮化硅制成；顶部下表面金属层103由铜制成，顶部上表面金属层101由铜或铝制成。
60.顶部下表面金属层103设置若干金属区域，包括顶部第一金属区域121、顶部第二金属区域122、顶部第三金属区域123、顶部第四金属区域124以及顶部第五金属区域125，其中，顶部第二金属区域122连接直流侧功率垫片301起散热作用，顶部第三金属区域123为开尔文源极金属区域。
61.在功率衬底金属区域单独设置开尔文源极金属区域，通过源极导电金属带同时连接换流回路源极金属区域和开尔文源极金属区域的方式实现控制回路的栅极引线开尔文连接，极大减小了换流回路与控制回路的共源极电感，增强了模块驱动的可靠性，而且这种方式无需额外设置电气互联引线，从而增加模块内空间利用率。
62.模块内设置的直流侧功率垫片和交流侧主功率垫片为长条柱状，对模块进行了可靠地机械支撑，功率垫片紧邻功率半导体设置，极大减小芯片之间的热耦合，并为每个功率半导体提供额外的散热路径，在双面散热的基础上进一步减小了芯片到空气的热阻，实现功率芯片的均温，提高了功率模块在高温环境下工作的可靠性。
63.下桥臂驱动端子包括第一下桥臂栅极驱动端子112、第一下桥臂源极驱动端子113、第二下桥臂栅极驱动端子114以及第二下桥臂源极驱动端子115。第一下桥臂栅极驱动端子112和第二下桥臂栅极驱动端子114设置在顶部第四金属区域124的两端，第一下桥臂
源极驱动端子211和第二下桥臂源极驱动端子115设置在顶部第三金属区域123的两端。
64.请参阅图4，为导电金属带与半导体芯片均按图示结构配套设置。导电金属带形状为梯形，每一个导电金属带包括源极导电金属带500以及栅极导电金属带600；宽禁带功率半导体芯片400设置在漏极金属区域700上，宽禁带功率半导体芯片400背部的漏极电极区域直接与漏极金属区域700相连，宽禁带功率半导体芯片400上表面的栅极电极区域通过栅极导电金属带600与栅极金属区域750相连，禁带功率半导体芯片400上表面的源极电极区域通过源极导电金属带500与开尔文源极金属区域800、源极金属区域850连接；源极导电金属带500与禁带功率半导体芯片400、开尔文源极金属区域800和源极金属区域850的连接接触部位开有孔槽，用于控制寄生电感。值得注意的是，图4中所示标号为汇总标号不代表某一个特定结构体而是指一类特定结构体，如400代表所有的宽禁带功率半导体芯片，500代表与之配套的源极导电金属带。具体对应关系由实施例详细给出。
65.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
66.实施例
67.请参阅图1、图2、图3和图4，本实施例的封装结构包括2个功率衬底、2组共6个宽禁带功率半导体芯片、4个功率垫片、3个功率端子、8个驱动端子以及6组导电金属带。
68.其中，2个功率衬底具体为顶部功率衬底100以及底部功率衬底200。
69.6个宽禁带功率半导体芯片400具体为第一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402、第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403、第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405和第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406。
70.4个功率垫片具体为直流侧功率垫片301、交流侧主功率垫片302、交流侧辅助功率垫片303以及交流侧辅助功率垫片304。
71.3个功率端子具体为直流正极功率端子210、直流负极功率端子110以及交流极功率端子211。
72.8个驱动端子具体为上桥臂第一栅极驱动端子212、上桥臂第一源极驱动端子213、上桥臂第二栅极驱动端子214、上桥臂第二源极驱动端子215、下桥臂第一栅极驱动端子112、下桥臂第一源极驱动端子111、下桥臂第二栅极驱动端子114、下桥臂第二源极驱动端子113。
73.6组导电金属带与6个宽禁带功率半导体芯片一一对应设置，每组导电金属带包括一个源极导电金属带和一个栅极导电金属带。
74.本实施例包括两组3个并联共6个的宽禁带功率半导体芯片，构成经典半桥结构的上下桥臂开关管，实际工作中能够根据需求增加或减少并联芯片数来改变同流能力或者增加减少串联芯片数来改变耐压能力，或者根据需求增加反并联二极管芯片。
75.需要特别指出的是，本发明所提及到的宽禁带半导体功率芯片根据实际需求也可以替换为非宽禁带半导体功率芯片；导电金属带的作用是执行半导体芯片与衬底金属之间的电气连接，其中源极导电金属带在与芯片和衬底金属的连接处开有孔槽，其材质为铜；驱动回路采用开尔文源极方式，并设置灵活的驱动端子可进行交叉使用过，从而进一步提高驱动回路的稳定性和芯片的动态均温；功率垫片作用是电气连接、机械支撑以及传导热量，其材质可以是单质铜或其他导热导电性能连号的金属及合金，根据使用环境和可靠性要求选择不同的材质；功率衬底通常为包括但不限于直接键合铜陶瓷基板、活性金属钎焊陶瓷覆铜基板等；功率衬底的绝缘层一般是氧化铝、氮化铝、氮化硅等陶瓷物质或者其他的绝缘介质，执行绝缘与导热的功能，功率衬底上下表面的金属层是导电金属，设置半导体芯片的一侧为铜另一侧为铜或铝。顶部功率衬底的上表面金属层和底部功率衬底下表面的金属层可以直接或通过金属基板连接散热器，以提高散热效率。顶部功率衬底的下表面金属层和底部功率衬底上表面金属层主要执行电气连接的功能。
76.功率垫片及芯片空间设置具体如下：
77.请参阅图1，第一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402和第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403构成半桥结构的上桥臂，第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405和第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406构成半桥结构的下桥臂，上桥臂和下桥臂整体构成双面散热的模块结构。
78.第一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402和第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403等距并排设置于底部功率衬底200的上表面金属区域，直流侧功率垫片301靠近上桥臂组芯片设置，在连接支撑顶部和底部功率衬底的同时为上桥臂组芯片提供额外的导热路径。
79.第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405和第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406等距并排设置于顶部功率衬底100的上表面金属区域，交流侧主功率垫片302靠近下桥臂组芯片设置，在连接支撑顶部和底部功率衬底的同时为下桥臂组芯片提供额外的导热路径。
80.同时额外设置交流侧的第一功率垫片303和第二功率垫片304用于加强机械、电气连接，提高模块的机械稳定性。
81.导电金属带与半导体芯片的配套设置
82.导电金属带的形状为梯形，每一个导电金属带包括一个源极导电金属带以及一个栅极导电金属带；源极导电金属带与半导体芯片以及源极金属区域连接接触部位开有孔槽，用于控制寄生电感；半导体芯片通过源极导电金属带与开尔文源极金属区域相连引出开尔文源极。
83.请参阅图4，在本实施例中，导电金属带与半导体芯片均按照图4所示的结构关系配套设置；包括：
84.宽禁带功率半导体芯片400、源极导电金属带500、栅极导电金属带600、漏极金属区域700、栅极金属区域750、开尔文源极金属区域800、源极金属区域区域850。具体标号如下：
85.6组半导体芯片以及导电金属带的具体对应为一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、源极导电金属带501、栅极导电金属带601；第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402、源
极导电金属带502、栅极导电金属带602；第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403、源极导电金属带503、栅极导电金属带603；第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、源极导电金属带504、栅极导电金属带604；第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405、源极导电金属带505、栅极导电金属带605；第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406、源极导电金属带506、栅极导电金属带606。
86.第一上桥臂宽禁带功率半导体芯片401、第二上桥臂宽禁带功率半导体芯片402和第三上桥臂宽禁带功率半导体芯片403共用同一个漏极金属区域(图2中底部第一金属区域221)、栅极金属区域(图2中底部第二金属区域222)、开尔文源极金属区域(图2中底部第三金属区域223)以及源极金属区域区域(图2中底部第四金属区域224)。
87.第一下桥臂宽禁带功率半导体芯片404、第二下桥臂宽禁带功率半导体芯片405和第三下桥臂宽禁带功率半导体芯片406共用同一个漏极金属区域(图3中顶部第五金属区域125)、栅极金属区域(图3中顶部第四金属区域124)、开尔文源极金属区域(图3中顶部第三金属区域123)以及源极金属区域区域(图3中顶部第一金属区域121)。
88.导热路径具体如下：
89.在本实施例中每一个半导体芯片有一条主要导热路径和一条次要导热路径，主要导热路径指通过芯片所在功率衬底的导电金属区域直接向功率衬底及外部散热；次要导热路径指通过与芯片设置在同一金属区域的功率垫片的导热作用向另外一个功率衬底及对应的外部散热。以第三上桥臂半导体芯片403和第三下桥臂半导体芯片406为例说明导热路径：
90.请参阅图5，第三上桥臂半导体芯片403导热路径为第一主要导热路径652以及第一次要导热路径651。第一主要导热路径652从第三上桥臂半导体芯片403出发，直接纵向经过底部功率衬底200的上表面金属区域、绝缘介质层以及下表面金属层向散热器或外界环境传导热量；第一次要导热路径651从第三上桥臂半导体芯片403出发，横向经过底部功率衬底200的上表面金属区域局部，然后纵向经过直流侧功率垫片301、顶部功率衬底100下表面金属区域、绝缘介质层以及上表面金属层向散热器或外界传导热量。
91.类似地，第三下桥臂半导体芯片406导热路径为第二主要导热路径653以及第二次要导热路径654。第二主要导热路径653从第三下桥臂半导体芯片406出发，直接纵向经过顶部功率衬底200的下表面金属区域、绝缘介质层以及上表面金属层向散热器或外界环境传导热量；第二次要导热路径654从第三下桥臂半导体芯片406出发，横向经过顶部功率衬底100的下表面金属区域局部，然后纵向经过交流侧主功率垫片302、底部功率衬底200上表面金属区域、绝缘介质层以及下表面金属层向散热器或外界传导热量。
92.驱动回路具体如下：
93.通过设置开尔文金属区域从源极导电金属带引出开尔文源极；在本实施例中，每一个宽禁带功率半导体芯片都对应两个源极驱动端子和两个栅极驱动端子，驱动回路基本位于衬底平面内，在实际应用时任选一个源极端子和栅极端子使用，或者两个源极驱动端子和两个栅极驱动端子同时使用或交叉使用。推荐交叉使用驱动端子，通过交叉使用进一步减小或消除因芯片距离驱动端子远近不同而导致驱动信号的传输差异，从而增强驱动回路的稳定性，助于实现芯片的动态均流。
94.通过特定的功率衬底金属区域的设置和芯片的排布，大幅降低驱动回路与换流回
路的耦合。具体的，上桥臂驱动回路电流流通路径位于底部功率衬底平面内，下桥臂驱动回路电流流通路径位于顶部功率衬底平面内，换流回路电流通过交流侧功率垫片从底部功率衬底流向顶部功率衬底，流通路径所处平面垂直于功率衬底，从而驱动回路与换流回路在空间上基本垂直，极大减小了回路之间电磁耦合的面积，增强模块可靠性。
95.以第二上桥臂半导体芯片402、第二下桥臂半导体芯片405为例进一步说明：
96.请参阅图6，显示驱动开通时第二上桥臂半导体芯片402的驱动回路电流流通路径。使用第一上桥臂栅极驱动端子212和第一上桥臂源极驱动端子213时，电流从第一上桥臂栅极驱动端子212流入，沿上桥臂第一路径661到达与第二上桥臂半导体芯片402配套的栅极导电金属带，然后沿上桥臂第二路径662依次通过栅极导电金属带、半导体芯片、源极导电金属带到达功率衬底的源极开尔文金属区域，最终沿上桥臂第三路径663流入第一上桥臂源极驱动端子213；使用第二上桥臂栅极驱动端子214和第二上桥臂源极驱动端子215时，则驱动回路路径由上桥臂第四路径664、上桥臂第二路径662以及上桥臂第五路径665构成；交叉使用第一上桥臂栅极驱动端子212和第二上桥臂源极驱动端子215时，则驱动回路路径由上桥臂第一路径661、上桥臂第二路径662以及上桥臂第五路径665构成。
97.请参阅图7，显示驱动开通时第二下桥臂半导体芯片405的驱动回路电流流通路径。使用第二下桥臂驱动端子112和第一下桥臂驱动端子111时，电流从第二下桥臂驱动端子112流入，沿下桥臂第一路径671到达与第二下桥臂半导体芯片405配套的栅极导电金属带，然后沿下桥臂第二路径672依次通过栅极导电金属带、半导体芯片、源极导电金属带到达功率衬底的源极开尔文金属区域，最终沿下桥臂第三路径673流入第一下桥臂驱动端子111；
98.使用第二下桥臂栅极驱动端子114和第一下桥臂源极驱动端子113时，则驱动回路路径由下桥臂第四路径674、下桥臂第二路径672以及下桥臂第五路径675构成；交叉使用第一下桥臂栅极驱动端子112和第一下桥臂源极驱动端子113时，则驱动回路路径由下桥臂第一路径671、下桥臂第二路径672以及下桥臂第五路径675构成。
99.请参阅图8和图9，换流回路具体为：
100.图8和图9分别显示了上桥臂和下桥臂的并联芯片的电流流通路径。图8显示了上桥臂导通时的并联芯片的电流流通路径，上桥臂并联支路的电流流通路径如下：
101.电流从直流正极功率端子210出发，在底部功率衬底200上表面的底部第一金属区域221一分为三，分别流入三个并联的宽禁带功率半导体芯片，然后通过各源极导电金属带流入底部第四金属区域224，上桥臂持续导通期间该电流最终流入交流极功率端子211。
102.图9显示了下桥臂导通时的并联芯片的电流流通路径，下桥臂并联支路的电流流通路径如下：
103.下桥臂持续导通期间，电流从位于底部功率衬底200的交流侧功率端子出发经由交流侧主功率垫片302流入顶部功率衬底100的顶部第五金属区域125，并一分为三，分别流入三个并联的宽禁带功率半导体芯片，然后通过各源极导电金属带流入顶部功率衬底100的顶部第一金属区域121。
104.换流回路中，上下桥臂电流在空间中方向相反，负的互感削弱了寄生电感；功率端子在空间上同侧排布，可以容易地设计叠层母排结构以及安装解耦电容，避免将模块应用时功率端子外电感引入换流回路，从而极大缓解开通电压震荡以及关断电流震荡现象。
105.请参阅图10，解耦电容与翅柱型散热具体为：
106.图10显示了模块集成解耦电容以及翅柱式散热的示意图，其中，第一解耦电容901和第二解耦电容902设置于直流正极功率端子210和直流负极功率端子110之间。通过设置解耦电容能够减少或消除由功率端子外接电路引入的寄生电感对功率模块的影响，以及减小功率模块的高频电磁干扰对其他部件的影响。模块可以通过多种形式进行散热，包括但不限于自然散热、强迫风冷散热，液冷散热等，图中给出的翅柱式散热适用于强迫液冷散热，顶部功率衬底100通过额外设置的第二金属基板904与第二散热器906连接，底部功率衬底通过额外设置的第一金属基板903与第二散热器905连接，从而进一步提高模块的散热能力。
107.通过集成解耦电容和翅柱式散热后，模块的电学性能和热学性能得到进一步提高。
108.本发明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的原理具体为：
109.本发明实现了一个半桥结构，这种结构(由一个或者多个结构串并联)可以构成但不限于三相逆变全桥电路、同步整流器、单相逆变全桥等各种电力电子变换电路。本发明的封装结构具有很低的寄生电感、高的散热能力以及很高的功率密度。本发明通过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，同时极大改善芯片散热环境；驱动回路与换流回路在空间上近于垂直，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。
110.综上所述，本发明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，能够在非常大的电流等级、非常高的开关频率下可靠地工作，也可以在芯片结温达到200℃～350℃下工作(这还取决于封装材料、运行的环境等)，从而充分发挥了宽禁带功率半导体的优越性能。
111.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。