一种功率电子组件、功率半导体组件、高电源密度变换器和智能算力芯片系统的制作方法

本发明属于高频电源，尤其涉及一种功率电子组件、功率半导体组件、高电源密度变换器和智能算力芯片系统。

背景技术：

1、近年来，随着人工智能的发展，智能数据处理芯片，如gpu/cpu/npu/tpu等等（统称xpu）的功率要求越来越高，另一方面因为智能芯片外围电路增加，使得智能卡主板留给供电模组的空间越来越小，这就意味着供电模组的单位面积输出电流密度的需求越来越高。

2、现有技术中，常用的三种方案分别如图1a、图1b和图1c所示。如图1a所示的方案a，磁性元件mag设置在功率半导体组件ic的上方。该结构简单、成本低；但因为功率半导体组件ic的散热差，并且电容器需要外置于变换器，占用大量主板空间。虽然变换器本身的电流密度可以很高，但如果加上外置电容器之后，等效电流密度大幅度下降，严重的甚至下降超过30%，甚至更多。如图1b所示的方案b，功率半导体组件ic设置在磁性组件mag之上，电容器设置在变换器的内部。该结构使得功率半导体组件具有良好的散热路径，并且外置电容器的数量少，变换器的等效电流密度可以是方案a的130%，甚至更高。但是因为主板和内置电容之间存在寄生电感，并且因为内置电容的数量或容值有限，使得寄生电感和内置电容容易谐振，从而降低变换器的性能和可靠性。如图1c所示的方案c，将更多的电容设置在磁性组件和功率半导体组件之间，解决了谐振问题，并且变换器的电流密度较高，但是因为邻近功率半导体组件和磁性组件的电容需要承受高温，因此需要耐温为125度级别的mlcc（multi-layer ceramic capacitors）电容，譬如x7r系列，使得变换器的成本增高并且减小了磁性组件的体积，进一步影响了变换器的转换效率。

3、本发明在现有技术基础上，进行优化，解决现有技术中的不足，获得更好的变换器性能、更高的空间利用率、更低的制作成本和更简便的装配过程。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种功率电子组件，其特征在于，包括：功率半导体组件；所述功率半导体组件包括桥臂单元、直流正极、直流负极和跳变电极；所述桥臂单元包括上开关和下开关；所述上开关电连接直流正极和跳变电极，所述下开关电连接直流负极和跳变电极；所述功率半导体组件包括相对的顶面和底面，所述直流正极和直流负极分别设置在功率半导体组件的顶面和/或底面；所述跳变电极设置在功率半导体组件的底面；电容，所述电容设置在功率半导体组件的顶面，所述电容的正极电连接所述直流正极，所述电容的负极电连接所述直流负极；晶片，所述晶片用于设置所述桥臂单元；所述晶片的上表面设置有大面积热界面，所述大面积热界面的面积大于或者等于所述晶片横截面积的50%；所述大面积热界面与电容热连接。

2、较优的，所述直流正极和直流负极都设置在功率半导体组件的顶面；所述大面积热界面与直流负极电连接。

3、较优的，所述直流负极设置在功率半导体组件的顶面，所述直流正极设置在功率半导体组件的底面；所述直流正极通过垂直通道与电容正极电连接；所述大面积热界面与直流负极电连接。

4、较优的，所述晶片通过多个小单元与电容热连接。

5、较优的，还包括大面积均温层，所述大面积均温层设置在所述晶片和多个小单元之间。

6、较优的，位于所述功率半导体组件顶面的电容，其与功率半导体组件顶面设置的电极极性相同的电容电极的数量多于与功率半导体组件顶面设置电极极性不同的电容电极的数量。

7、较优的，所述功率半导体组件的顶面设置电容层，所述电容层包括电容，所述电容之间设置有导热绝缘材料。

8、较优的，所述电容为陶瓷电容，所述陶瓷电容包括多层金属片和多层陶瓷片，所述金属片与所述功率半导体组件的顶面垂直设置。

9、较优的，所述晶片包括衬底和晶片功能区，所述晶片功能区设置所述上开关和所述下开关。

10、较优的，所述衬底叠放在所述晶片功能区的上表面；所述衬底与所述直流负极同电位；所述衬底的上表面设置直流负极和/或直流正极，所述晶片功能区的下表面设置跳变电极。

11、较优的，所述晶片功能区的下表面还设置有直流正极和/或直流负极。

12、较优的，所述晶片功能区叠放在所述衬底的上表面；所述衬底与所述跳变电极同电位；所述晶片功能区的上表面设置直流负极和直流正极，所述衬底的下表面设置跳变电极。

13、较优的，所述晶片包括上开关晶片和下开关晶片，所述下开关晶片位于所述上开关晶片的上方，所述下开关晶片的上表面设置直流负极，所述上开关晶片的下表面设置直流正极；所述下开关晶片和所述上开关晶片之间设置跳变金属层，所述跳变金属层的至少一端设置跳变电极；所述下开关晶片分别与直流负极和跳变电极电连接，所述上开关晶片分别与直流正极和跳变电极电连接。

14、较优的，所述晶片包括上开关晶片和下开关晶片，所述下开关晶片位于所述上开关晶片的上方；所述功率半导体组件的顶面设置直流正极和直流负极，所述功率半导体组件的下表面设置直流负极和跳变电极；所述下开关晶片包括直流负电位和跳变电位，所述上开关晶片包括直流正电位和跳变电位；所述下开关晶片的直流负电位通过金属层和/或垂直通道引出至所述功率半导体组件的顶面和底面并电连接直流负极；所述上开关晶片的直流正电位通过金属层和/或垂直通道引出至所述功率半导体组件的顶面并电连接直流正极；所述上开关晶片的跳变电位和所述下开关晶片的跳变电位通过跳变金属层引出至所述功率半导体组件的底面并电联及跳变电极。

15、较优的，所述晶片包括上开关晶片和下开关晶片，所述上开关晶片和所述下开关晶片水平排列；所述上开关晶片的上表面电连接直流正极，所述下开关晶片的上表面电连接直流负极，所述上开关晶片的下表面和所述下开关晶片的下表面电连接跳变电极。

16、较优的，所述直流正极和所述直流负极设置在所述功率半导体组件的顶面，所述跳变电极设置在所述功率半导体组件的底面；所述电容水平排列形成电容层，至少两层所述电容层堆叠设置在所述功率半导体组件的顶面；所述电容的正极和负极分别把所述功率半导体组件顶面的直流正极和直流负极从电容的下表面引至电容的上表面，位于下层的电容的正极和负极与位于上层的电容的正极和负极一一对应并电连接，位于最上层的电容的正极和负极以及位于功率半导体组件底面的跳变电极为所述功率电子组件的外连引脚。

17、较优的，所述外连引脚的外侧设置连接件，所述外连引脚通过所述连接件引出到连接面，所述功率电子组件通过所述连接面与外部组件电连接。

18、较优的，所述连接件为金属片，所述金属片通过焊接或内埋工艺实现。

19、较优的，所述电容为硅电容。

20、本发明还提供一种高电流密度变换器，包括磁性组件和功率电子组件；所述磁性组件设置在功率半导体组件的下表面；所述功率电子组件中的电容为所述高电流密度变换器的高压侧电容。

21、较优的，所述磁性组件为硅片电感；所述高压侧电容为硅电容。

22、较优的，所述硅片电感为两相反耦合电感。

23、较优的，所述硅片电感的下表面堆叠设置低压侧电容层，所述低压侧电容层中设置低压侧电容，所述低压侧电容为硅电容。

24、较优的，所述高电流密度变换器的上表面为输入面，所述输入面设置输入连接部；所述高压侧电容层邻近所述输入面设置；所述高电流密度变换器的下表面为输出面，所述输出面设置输出连接部；所述低压侧电容层邻近所述输出面设置；所述输出面与负载上表面电连接；所述高电流密度变换器和所述负载在同一水平面的投影至少部分重叠。

25、较优的，所述负载上表面设置信号引脚；所述输出连接部的下表面与所述信号引脚的底端平齐，所述输入连接部的上表面与所述信号引脚的顶端平齐。

26、较优的，所述高电流密度变换器的频率高于10mhz。

27、较优的，还包括一模组载板，所述模组载板的上表面设置输入连接部，所述模组载板的下表面设置输出连接部；所述高电流密度变换器内埋在所述模组载板内；所述高电流密度变换器的上表面为输入面，所述输入面通过模组载板与所述输入连接部电连接；所述高电流密度变换器的下表面为输出面，所述输出面通过模组载板与所述输出连接部电连接；所述模组载板通过所述输出连接部电连接负载，并为负载供电。

28、较优的，所述高电流密度变换器的下表面与负载固定并电连接，所述负载上集成设置有控制晶片，所述控制晶片邻近所述高电流密度变换器设置，所述控制晶片用于在所述高电流密度变换器和所述负载之间传递信息。

29、本发明提供一种智能算力芯片系统，包括高电流密度变换器和负载芯片，所述高电流密度变换器和所述负载芯片垂直堆叠，所述高电流密度变换器和所述负载芯片在垂直方向的投影至少部分重叠，所述高电流密度变换器包括输出电容层、电感层、功率半导体晶片层、输入电容层和变换器输入层，所述负载芯片、输出电容层、电感层、功率半导体晶片层、输入电容层和变换器输入层沿竖直方向依次设置；所述高电流密度变换器的频率高于10mhz。

30、较优的，所述输入电容层和输出电容层都为硅电容层，所述电感层为硅片电感。

31、本发明还提供一种功率半导体组件，包括：晶片，所述晶片包括衬底、上开关晶片区和下开关晶片区，所述上开关晶片区和所述下关晶片区水平分布，所述衬底位于所述上开关晶片区和所述下开关晶片区的上方；所述上开关晶片区包括直流电位和跳变电位，所述下开关晶片区包括直流电位和跳变电位；两个电极层，所述两个电极层分别为设置在所述功率半导体组件的上表面的上电极层和位于所述功率半导体组件下表面的下电极层；隔离层，所述隔离层将所述上开关晶片区和所述下开关晶片区隔离；内层电汇流层，所述内层电汇流层用于将所述晶片的直流电位和跳变电位引出到电极层；还包括直流正极、直流负极和跳变电极，所述直流正极、直流负极和跳变电极位于所述电极层，所述上开关晶片的直流电位引出到直流正极，所述下开关晶片区的直流电位引出到所述直流负极，所述跳变电位引出到所述跳变电极。

32、较优的，所述隔离层为“n”形，所述上开关晶片区位于所述隔离层内侧，所述下开关晶片区位于所述隔离层外侧。

33、较优的，所述内层电汇流层位于在所述晶片的下方；所述上电极层设置直流负极，所述下电极层设置跳变电极，所述直流正极设置在上电极层和/或下电极层；所述上开关晶片区的直流电位和跳变电位通过过孔引出到内层电汇流层，再通过过孔和/或导电通孔分别引出到直流正极和跳变电极；所述下开关晶片区的跳变电位通过过孔引出到所述内层电汇流层，再通过过孔引出到跳变电极；所述下开关晶片区的直流电位通过衬底引出到直流负极。

34、较优的，所述下开关晶片区的直流电位通过在衬底上方设置过孔引出到直流负极，或通过过孔引出到内层电汇流层后，再通过导电通孔引出到直流负极。

35、较优的，所述下开关晶片区包括源极区和漏极区，所述源极区包括n+埋层、p+埋层和p-埋层，所述源极区与所述直流负极电连接，所述漏极区与所述跳变电极电连接。

36、较优的，所述衬底为p+衬底，所述p+埋层通过所述p+衬底与所述直流负极电连接，所述上电极层设置有直流负极，所述下电极层设置有跳变电极和直流正极。

37、较优的，所述p+埋层和所述p+衬底之间还设置有p外延层，所述p+埋层通过所述p外延层和p+衬底与所述直流负极电连接。

38、较优的，所述下电极层设置有直流负极，所述下电极层设置的直流负极的面积小于所述跳变电极面积的一半；所述源极区的下表面设置有gnd布线层，所述gnd布线层通过所述内层电汇流层电连接所述下电极层的直流负极。

39、较优的，所述衬底为n+衬底，所述n+埋层通过所述n+衬底与所述直流负极电连接；所述上电极层设置有直流负极，所述下电极层设置有跳变电极和直流正极。

40、较优的，所述源极区和所述n+衬底之间设置埋孔/槽，所述源极区通过所述埋孔/槽与n+衬底电连接。

41、较优的，所述源极区的表面设置有gnd布线层，所述gnd布线层延伸至源极区在所述晶片的上表面的投影区域外，所述投影区域外的gnd布线层通过过孔/槽与n+衬底电连接。

42、较优的，在所述n+衬底上设置对接孔/槽，所述对接孔/槽分别与所述过孔/槽和所述直流负极电连接。

43、较优的，所述n+衬底包括一n+衬底扩散区，所述n+衬底扩散区由n+衬底的上表面延伸至所述晶片的上表面且邻近所述上开关晶片区设置；所述n+衬底扩散区上集成设置有桥臂电容，所述桥臂电容就近电连接直流正极和直流负极。

44、较优的，所述桥臂电容包括高密度深槽，所述高密度深槽的表面设有介质层，所述高密度深槽的内部填充有钨或多晶硅。

45、较优的，所述源极区和所述衬底之间设置多个埋孔/槽，所述源极区的下表面设置gnd布线层；至少一个埋孔/槽与所述n+衬底和n+埋层电连接，至少另一个埋孔/槽与p+埋层电连接，与p+埋层电连接的埋孔/槽通过所述gnd布线层与所述n+埋层电连接。

46、较优的，所述源极区和所述n+衬底之间设置n+电连接通路，所述n+电连接通路通过多次外延及多次注入实现。

47、较优的，所述n+电连接通路扩展到p+埋层并与p+埋层电连接。

48、较优的，所述源极区和所述n+衬底之间设置n+电连接通路，所述n+电连接通路包括注入n+层和埋孔/槽，所述源极区依次通过埋孔/槽和注入n+层与n+衬底电连接。

49、较优的，所述衬底为n+衬底，所述上电极层设置有直流正极，所述下电极层设置有跳变电极和直流负极；所述上开关晶片区设置有垂直型上开关，所述垂直型上开关的上表面包括漏极区，所述垂直型上开关的下表面包括源极区和栅极区；所述垂直型上开关的漏极区通过所述n+衬底电连接所述上电极层的直流正极；所述垂直型上开关的源极区通过所述内层电汇流层电连接所述跳变电极。

50、较优的，所述下电极层也设置有直流正极，所述下电极层的直流正极的面积小于所述跳变电极面积的50%，所述下电极层的直流正极与直流负极之间设置高频电容。

51、较优的，所述衬底为n+衬底，所述上电极层和下电极层都设置有跳变电极，所述下电极层还设置有直流正极和直流负极；所述上开关晶片区设置有平面型上开关，所述下开关晶片区设置有垂直型下开关，所述垂直型下开关的上表面包括漏极区，所述垂直型下开关的下表面包括源极区和栅极区；所述垂直型下开关的漏极区通过所述n+衬底电连接所述上电极层的跳变电极，所述垂直型下开关的源极区电连接直流负极；所述平面型上开关的源极区、漏极区和栅极区都设置在上开关晶片区的下表面，所述平面型上开关的漏极区通过所述内层电汇流层电连接所述直流电极；所述平面型上开关的源极区通过所述内层电汇流层电连接位于所述下电极层的跳变电极，位于下电极层的跳变电极通过硅通孔或埋孔/槽电连接位于上电极层的跳变电极。

52、较优的，所述下开关晶片区包括源极区和漏极区，所述源极区包括n+埋层和p-埋层，所述源极区和所述衬底之间设置埋孔/槽，所述埋孔/槽一端电连接所述n+埋层；所述源极区和所述漏极区之间包括寄生二极管，所述寄生二极管的导电通路通过所述埋孔/槽与所述p-埋层直接电连接形成。

53、本发明还提供一种高电流密度变换器，包括：功率半导体组件，高压端和低压端；磁性组件，所述磁性组件包括磁芯和绕组，所述绕组的一端与所述跳变电极电连接，所述绕组的另一端与所述高压端或所述低压端电连接；电容，所述电容邻近所述功率半导体组件设置，并且与所述直流正极和直流负极电连接。

54、较优的，包括第一载板，所述第一载板包括相对的上表面和下表面；所述磁性组件设置在所述第一载板的上表面，所述绕组的两端都固定在所述第一载板的上表面并通过所述第一载板与所述跳变电极和所述高压端或所述低压端电连接。

55、较优的，所述电容设置在所述第一载板的上表面，所述磁芯、所述绕组和所述第一载板的上表面之间形成容置空间，所述电容位于所述容置空间内。

56、较优的，所述功率半导体组件设置在所述第一载板的下表面，所述功率半导体组件的顶面与所述第一载板的下表面固定和电连接；所述功率半导体组件和所述第一载板的下表面通过塑封料塑封形成塑封体，所述直流负极设置于所述功率半导体组件的底面并外露于塑封体。

57、较优的，所述塑封体内设置载板连接端 ，所述载板连接端用于传输信号和/或功率。

58、较优的，所述载板连接端为导电柱。

59、较优的，在所述塑封体的下表面设置窗口，通过在所述窗口内设置焊料球或金属化窗口形成所述载板连接端。

60、较优的，所述电容设置在所述第一载板的下表面并位于塑封体内。

61、较优的，所述电容和功率导体组件内埋于所述第一载板，并通过所述第一载板与外部组件电连接。

62、较优的，还包括电容载板，所述电容内埋于所述电容载板，所述高电流密度变换器通过所述电容载板的下表面与外部组件电连接，所述电容载板的上表面与所述功率半导体组件和/或所述磁性组件和/或所述第一载板的下表面电连接。

63、较优的，所述直流负极设置在功率半导体组件的上表面；所述直流正极和跳变电极设置在功率半导体组件的下表面；还包括直流负极导电条，所述功率半导体组件的直流负极通过所述直流负极导电条与所述第一载板的上表面电连接；所述功率半导体组件的下表面固定并电连接于所述载板的上表面；所述磁性组件设置在所述第一载板的下表面，所述电容设置在所述第一载板的上表面和/或下表面。

64、较优的，还包括半导体载板，所述功率半导体组件设置在所述半导体载板上并通过塑封料塑封成一体或所述功率半导体组件内埋在所述半导体载板内，功率半导体组件通过所述半导体载板组装在所述载板上表面。

65、较优的，还包括功率连接件、信号连接件和第二载板，所述功率连接件、信号连接件和绕组的两端分别与第一载板的下表面和第二载板的上表面电连接。

66、本发明还提供一种高电流密度变换器，包括：高压端和低压端；第一载板，所述第一载板包括相对的上表面和下表面；功率半导体组件，所述功率半导体组件包括相对的上表面和下表面、电极组合、直流负极、桥臂单元、晶片和桥臂电容；所述电极组合包括直流正极、跳变电极和/或直流负极；所述桥臂单元包括上开关和下开关；所述上开关和所述下开关设置在所述晶片上；所述上开关电连接直流正极和跳变电极，所述下开关电连接直流负极和跳变电极；所述桥臂电容设置在所述晶片上方，所述桥臂电容的正极电连接所述直流正极，所述桥臂电容的负极电连接所述直流负极；所述桥臂电容吸收所述桥臂单元中交流分量的至少50%；磁性组件，所述磁性组件包括磁芯和绕组，所述绕组的一端与所述跳变电极电连接，所述绕组的另一端与所述高压端或所述低压端电连接；直流侧电容，所述直流侧电容邻近所述功率半导体组件设置，并且与所述直流正极和直流负极电连接。

67、较优的，所述磁性组件设置在所述第一载板的上表面，所述绕组的两端都固定在所述第一载板的上表面并通过所述第一载板与所述跳变电极和所述高压端或所述低压端电连接；所述直流侧电容设置在所述第一载板的上表面和/或下表面；所述功率半导体组件设置在所述第一载板的下表面。

68、较优的，还包括直流侧电容载板，所述直流侧电容内埋于所述直流侧电容载板，所述高电流密度变换器通过所述直流侧电容载板的下表面与外部组件电连接，所述直流侧电容载板的上表面与所述功率半导体组件和/或所述磁性组件和/或所述载板的下表面电连接。

69、较优的，所述直流负极设置在功率半导体组件的上表面，所述电极组合设置在功率半导体组件的下表面；

70、还包括直流负极导电条，所述功率半导体组件的直流负极通过所述直流负极导电条与所述第一载板的上表面电连接；所述功率半导体组件的下表面固定并电连接于所述第一载板的上表面；所述磁性组件设置在所述第一载板的下表面，所述直流侧电容设置在所述第一载板的上表面和/或下表面。

71、本发明的有益效果是：

72、（1）本发明提出一种功率电子组件， 一方面通过优化功率电子组件的结构，提升电容的导热能力，提升组件的散热能力，减小输入回路的寄生电感；

73、（2）另一方面通过优化高电流密度变换器的工艺和结构，并且通过多层硅电容堆叠的结构，提升电容的散热能力，从而使得电源模块具有超薄、双面散热的能力，从而进一步提升变换器的电流密度和转换效率。