一種高頻大功率碳化硅mosfet模塊的制作方法
【專利摘要】一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，電路結(jié)構(gòu)包括功率端子、信號端子、絕緣陶瓷基板、碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片；所述絕緣陶瓷基板通過高溫回流焊接到散熱基板上，在絕緣陶瓷基板上焊接有碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片，碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片與絕緣陶瓷基板上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來，并通過鋁線將碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之間連接起來，至少三個功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對應(yīng)位置上；它可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過500kHz、輸出功率超過100kW應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，屬于半導(dǎo)體模塊封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]高頻大功率半導(dǎo)體模塊主要應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場合，如:感應(yīng)加熱、逆變焊機、UPS、電解電鍍電源等，傳統(tǒng)大功率半導(dǎo)體模塊主要包括:IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)、功率MOSFET (場效應(yīng)晶體管)、晶閘管以及功率二極管等，功率半導(dǎo)體模塊是將以上功率半導(dǎo)體芯片封裝成各種電路基本單元，應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)功率回路。
[0003]目前對于大功率器件開關(guān)頻率高達(dá)IOOkHz以上的應(yīng)用，一般使用硅基高壓mosfet器件或娃基coolmos器件,而傳統(tǒng)的IGBT器件一般只適用于開關(guān)頻率低于IOOkHz的應(yīng)用領(lǐng)域。目如利用娃基聞壓mosfet和娃基coolmos設(shè)計的聞頻系統(tǒng)因為器件本身的損耗較高、最高可允許工作結(jié)溫不超過175度、價格昂貴、需要多片分立器件并聯(lián)以提供大電流輸出等諸多原因，導(dǎo)致電力電子高頻系統(tǒng)頻率做到500kHz就難以再繼續(xù)提升，同時面臨系統(tǒng)效率低、體積大等缺點。
[0004]當(dāng)前以碳化硅mosfet和碳化硅SBD為代表的新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件取得突破，業(yè)界已經(jīng)有600V和1200V的碳化硅mosfet和SBD分離器件可供客戶選用，但因為分離器件不適合應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，如存在需要大量并聯(lián)、器件間連線復(fù)雜、寄生參數(shù)大、安裝拆換復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性低、參數(shù)一致性難以控制等問題，致使碳化硅器件難以應(yīng)用于大功率高頻高壓系統(tǒng)中，目前唯一的解決辦法是解決碳化硅芯片的模塊設(shè)計問題，為用戶提供高集成度、聞壓、聞頻、大電流的1旲塊廣品，可以從根本上解決聞頻系統(tǒng)面臨的諸多問題，大幅提升系統(tǒng)性能。
[0005]碳化硅器件模塊著重需要解決的技術(shù)問題主要有:低寄生電感設(shè)計以滿足高頻要求，高溫封裝材料及封裝工藝的開發(fā)。
[0006]目前電力電子行業(yè)使用量最大的功率模塊封裝仍然采用的是34mm、62mm寬度的封裝結(jié)構(gòu)，該模塊結(jié)構(gòu)具有30mm高度，這種類型的功率模塊功率密度不高，其內(nèi)部功率回路的寄生電感較大，無法適應(yīng)某些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω吖β拭芏群偷图纳姼械囊?，故本專利提出使用新型?6mm緊湊型低寄生電感封裝以解決該問題，模塊內(nèi)部采用低寄生電感功率回路設(shè)計，同時模塊內(nèi)部選用高溫封裝材料，如:硅凝膠、焊料、密封膠等，要求以上材料可以承受200度以上連續(xù)工作，如此碳化硅模塊可以充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體器件的高工作結(jié)溫的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種具有高溫、高頻、大功率的優(yōu)勢，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過500kHz、輸出功率超過IOOkW應(yīng)用領(lǐng)域的緊湊型高頻大功率碳化硅MOSFET模塊。[0008]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，電路結(jié)構(gòu)包括功率端子、信號端子、絕緣陶瓷基板、碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片；所述絕緣陶瓷基板通過高溫回流焊接到散熱基板上，在絕緣陶瓷基板上焊接有碳化硅mosfet芯片和碳化娃SBD芯片,碳化娃mosfet芯片、碳化娃SBD芯片與絕緣陶瓷基板上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來，并通過招線將碳化娃mosfet芯片、碳化娃SBD芯片相互之間連接起來，至少三個功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對應(yīng)位置上。
[0009]所述殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋,所述外殼通過密封膠與散熱基板的外側(cè)部分粘結(jié)在一起，殼體內(nèi)部灌有硅凝膠，所述外蓋和外殼之間通過螺絲緊固在一起。
[0010]所述殼體內(nèi)部封裝的電路結(jié)構(gòu)包含半橋電路結(jié)構(gòu)，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式；所述半橋電路結(jié)構(gòu)有三個功率端子引出殼體外部，所述碳化娃mosfet芯片上串聯(lián)一片碳化娃SBD芯片，另在兩者旁邊反并聯(lián)一片碳化娃SBD芯片；所述碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片的柵極各串接一片以改善各并聯(lián)芯片之間動態(tài)均流的貼片電阻。
[0011]所述碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片的上表面之間米用招線鍵合,碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片對絕緣陶瓷基板的焊接采用PbSnAg或SnAu高溫焊料；所述絕緣陶瓷基板采用SnAgCu或SnAg焊料與散熱基板基板焊接；所述絕緣陶瓷基板上灌有玻璃化溫度超過200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒為準(zhǔn)。
[0012]所述功率端子在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋對應(yīng)功率端子折彎后的安裝孔處嵌有安裝螺母；所述功率端子頂部與殼體內(nèi)的散熱基板底部距離，即模塊的總高在15_18mm,優(yōu)選 1 Bmnin
[0013]所述殼體內(nèi)焊接有兩塊或四塊絕緣陶瓷基板，所述絕緣陶瓷基板為三層結(jié)構(gòu)，上下層均為高導(dǎo)無氧銅，中間層為A1203或AlN或Si3N4陶瓷層，該陶瓷層在將功率芯片產(chǎn)生的熱量傳到模塊底部散熱基板的同時，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對散熱基板的絕緣，該絕緣陶瓷基板上刻蝕有可提供功率芯片之間互聯(lián)的聯(lián)接電路。
[0014]所述殼體的外殼上設(shè)置有用于安裝信號端子的嵌孔，同時在外殼的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過螺絲緊固的螺母孔。
[0015]本發(fā)明主要解決的是開發(fā)高壓、高頻、高溫的碳化硅功率半導(dǎo)體模塊,解決相應(yīng)的低寄生電感電路設(shè)計、高溫封裝材料選型及高工作結(jié)溫封裝工藝開發(fā)等問題；它具有高溫、高頻、大功率等優(yōu)勢，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過500kHz、輸出功率超過IOOkW應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明的內(nèi)部平面示意圖。
[0019]圖4為半橋模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。圖1-5所示，本發(fā)明所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板1、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，殼體包括外殼2和蓋于外殼上的外蓋3，電路結(jié)構(gòu)包括功率端子6、信號端子7、絕緣陶瓷基板9、碳化硅mosfet芯片10、碳化硅SBD芯片12、13 ;所述絕緣陶瓷基板9通過高溫回流焊接到散熱基板I上，在絕緣陶瓷基板9上焊接有碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13，碳化硅mosfet芯片10、碳化硅SBD芯片12、13與絕緣陶瓷基板9上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來，并通過招線將碳化娃mosfet芯片10、碳化娃SBD芯片12相互之間連接起來,至少3個功率端子6焊接在絕緣陶瓷基板9的對應(yīng)位置上。
[0021]本發(fā)明所述的殼體包括外殼2和蓋于外殼上的外蓋3,所述外殼2通過密封膠與散熱基板I的外側(cè)部分粘結(jié)在一起，殼體內(nèi)部灌有硅凝膠，所述外蓋和外殼之間通過螺絲緊
固在一起。
[0022]本發(fā)明所述殼體內(nèi)部封裝的電路結(jié)構(gòu)包含半橋電路結(jié)構(gòu)，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式；所述半橋電路結(jié)構(gòu)有三個功率端子引出殼體外部，所述碳化硅mosfet芯片10上串聯(lián)一片碳化硅SBD芯片12，另在兩者旁邊反并聯(lián)一片碳化硅SBD芯片13，所述碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13的柵極各串接一片貼片電阻以改善各并聯(lián)芯片之間的動態(tài)均流。
[0023]所述碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13上表面之間采用鋁線鍵合，碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片12、13對絕緣陶瓷基板的焊接采用PbSnAg或SnAu高溫焊料；所述絕緣陶瓷基板采用SnAgCu或SnAg焊料與散熱基板基板焊接；所述絕緣陶瓷基板上灌有玻璃化溫度超過200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒為準(zhǔn)。
[0024]本發(fā)明所述功率端子6在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋對應(yīng)功率端子折彎后的安裝孔處嵌有安裝螺母；所述功率端子6頂部與殼體內(nèi)的散熱基板底部距離，即模塊的總高在15_18mm,優(yōu)選16mm。
[0025]所述殼體內(nèi)焊接有兩塊或四塊絕緣陶瓷基板，所述絕緣陶瓷基板為三層結(jié)構(gòu)，上下層均為高導(dǎo)無氧銅，中間層為A1203或AlN或Si3N4陶瓷層，該陶瓷層在將功率芯片產(chǎn)生的熱量傳到模塊底部散熱基板的同時，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對散熱基板的絕緣，該絕緣陶瓷基板9上刻蝕有可提供功率芯片之間互聯(lián)的電路。
[0026]所述殼體的外殼上設(shè)置有用于安裝信號端子的嵌孔，同時在外殼的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過螺絲緊固的螺母孔14。
[0027]實施例:如圖所示，本發(fā)明主要包括:散熱基板1、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)；所述殼體包括外殼2和蓋于外殼上的外蓋3,電路結(jié)構(gòu)包括功率端子6、信號端子7、絕緣陶瓷基板9、碳化硅mosfet芯片10、碳化硅SBD芯片12、13 ；
絕緣陶瓷基板9通過高溫回流焊接到散熱基板I上，在絕緣陶瓷基板9上焊接有碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13，碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13與絕緣陶瓷基板9上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來，并通過鋁線5將碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13相互之間連接起來，至少三個功率端子6焊接在絕緣陶瓷基板9的對應(yīng)位置上；
模塊采用低高度(最佳16mm)設(shè)計以降低寄生電感提高開關(guān)頻率，模塊內(nèi)部封裝材料采用高溫材料(焊料、硅凝膠、密封膠)和有利于高溫工作的封裝工藝(銀漿燒結(jié)技術(shù)、擴散焊接技術(shù)、超聲焊接技術(shù)及鋁線鍵合技術(shù))以充分利用碳化硅器件高工作結(jié)溫優(yōu)勢。
[0028]注塑外殼2通過環(huán)氧密封膠與銅散熱基板I的外側(cè)部分粘結(jié)在一起，模塊內(nèi)部灌有硅凝膠，固化后對模塊內(nèi)部的功率芯片提供保護作用，避免來自外界環(huán)境的污染，
外蓋3和外殼2之間通過螺絲緊固，功率端子6在模塊外蓋以上部分使用專利用工具折成90度，外蓋對應(yīng)功率端子折彎后的安裝孔處嵌有安裝螺母，這樣模塊的用戶可以將外部電路與該功率端子通過螺絲緊固的方式連接在一起。
[0029]模塊內(nèi)部封裝的電路結(jié)構(gòu)主要為半橋電路結(jié)構(gòu)，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式。
[0030]半橋模塊的電路原理圖見圖4所示，外形見圖1，它有三個功率端子引出到模塊外部，模塊內(nèi)部封裝成半橋電路結(jié)構(gòu)。
[0031]該半橋模塊散熱底板底部到功率端子頂部的高度最合適為16mm，極低的模塊高度有利于降低模塊內(nèi)部寄生電感，提供模塊的開關(guān)頻率。該系列模塊的信號端子如圖1所示分布在模塊兩側(cè)，每個模塊的總量不超過8個，功率端子的分布位置見圖1，方便用戶將模塊連接到外部功率電路。
[0032]該系列模塊的功率端子采用具有機械緩沖的結(jié)構(gòu)，避免外界在安裝等過程中所施加的力傳遞到功率端子的焊接部位，影響功率端子的可靠性。在模塊內(nèi)部一般焊接有2塊或四塊絕緣陶瓷基板，該類型絕緣陶瓷基板為三層結(jié)構(gòu)，上下層均為高導(dǎo)無氧銅，中間層為A1203或AlN陶瓷層或Si3N4陶瓷層，該陶瓷層在將功率芯片產(chǎn)生的熱量傳到模塊底部散熱器的同時，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對散熱器的絕緣，該絕緣陶瓷基板9上刻蝕有涉及的電路結(jié)構(gòu)，提供功率芯片之間的互聯(lián)。外殼上涉及有嵌孔用于安裝信號端子，同時在外殼的四側(cè)設(shè)計有螺母孔14，用于和外蓋部分通過螺絲緊固。
[0033]此系列模塊因為總高為16mm，相較于傳統(tǒng)的30mm高度的模塊，總高度減小了近一半，這樣在模塊內(nèi)部可以減小功率的高度，體現(xiàn)在模塊性能上就是減小了模塊的功率回路寄生電感，在|旲塊的聞頻應(yīng)用中可以減小功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷時的電壓過沖，有利于提聞功率半導(dǎo)體模塊的可靠性，是在傳統(tǒng)封裝系列上的改進。
【權(quán)利要求】
1.一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，電路結(jié)構(gòu)包括功率端子、信號端子、絕緣陶瓷基板、碳化娃mosfet芯片、碳化娃SBD芯片；其特征在于所述絕緣陶瓷基板(9)通過高溫回流焊接到散熱基板(I)上，在絕緣陶瓷基板(9)上焊接有碳化硅mosfet芯片(10)和碳化硅SBD芯片(12、13)，碳化硅mosfet芯片(10)、碳化硅SBD芯片(12、13)與絕緣陶瓷基板(9)上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來，并通過鋁線將碳化硅mosfet芯片(10)、碳化硅SBD芯片(12、13)相互之間連接起來，至少三個功率端子(6)焊接在絕緣陶瓷基板(9)的對應(yīng)位置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于殼體包括外殼(2)和蓋于外殼上的外蓋(3)，所述外殼(2)通過密封膠與散熱基板(I)的外側(cè)部分粘結(jié)在一起，殼體內(nèi)部灌有硅凝膠，所述外蓋(3)和外殼(2)之間通過螺絲緊固在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于所述殼體內(nèi)部封裝的電路結(jié)構(gòu)包含半橋電路結(jié)構(gòu)，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式；所述半橋電路結(jié)構(gòu)有三個功率端子(6)引出殼體外部，所述碳化硅mosfet芯片(10)上串聯(lián)一片碳化硅SBD芯片(12)，另在兩者旁邊反并聯(lián)一片碳化硅SBD芯片(13),所述碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片的柵極均串接一片以改善各并聯(lián)芯片之間動態(tài)均流的貼片電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于所述碳化硅mosfet芯片(10)和碳化硅SBD芯片(12、13)的上表面之間采用鋁線鍵合，碳化硅mosfet芯片(10)和碳化硅SBD芯片(12、13)對絕緣陶瓷基板(9)的焊接采用PbSnAg或SnAu高溫焊料；所述絕緣陶瓷基板(9)采用SnAgCu或SnAg焊料與散熱基板(I)焊接；所述絕緣陶瓷基板(9)上灌有玻璃化溫度超過200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒為準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于所述功率端子(6)在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋(3)對應(yīng)功率端子折彎后的安裝孔處嵌有安裝螺母；所述功率端子(6)頂部與殼體內(nèi)的散熱基板(I)底部距離，即模塊的總高在15-18mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于所述殼體內(nèi)焊接有兩塊或四塊絕緣陶瓷基板(9)，所述絕緣陶瓷基板(9)為三層結(jié)構(gòu)，上下層均為高導(dǎo)無氧銅，中間層為A1203或AlN或Si3N4陶瓷層，該陶瓷層在將功率芯片產(chǎn)生的熱量傳到模塊底部散熱基板(I)的同時，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對散熱基板(I)的絕緣，該絕緣陶瓷基板(9)上刻蝕有可提供功率芯片之間互聯(lián)的電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，其特征在于所述殼體的外殼(2)上設(shè)置有用于安裝信號端子的嵌孔，同時在外殼(2)的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過螺絲緊固的螺母孔(14)。
【文檔編號】H01L23/04GK103794578SQ201410033879
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】劉志宏 申請人:嘉興斯達(dá)微電子有限公司