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(hào)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(guò)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(lái)，并通過(guò)鋁線將碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之間連接起來(lái)，至少三個(gè)功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對(duì)應(yīng)位置上；所述殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，所述外殼通過(guò)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(guò)螺絲緊固在一起；它具有高溫、高頻、大功率等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過(guò)500kHz、輸出功率超過(guò)100kW應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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(chǎng)合，如:感應(yīng)加熱、逆變焊機(jī)、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(chǎng)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(duì)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(jì)的聞?lì)l系統(tǒng)因?yàn)槠骷旧淼膿p耗較高、最高可允許工作結(jié)溫不超過(guò)175度、價(jià)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(shí)面臨系統(tǒng)效率低、體積大等缺點(diǎn)。
[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?yàn)榉蛛x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(wèn)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(jì)問(wèn)題，為用戶提供高集成度、聞壓、聞?lì)l、大電流的1旲塊廣品，可以從根本上解決聞?lì)l系統(tǒng)面臨的諸多問(wèn)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(wèn)題主要有:低寄生電感設(shè)計(jì)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(wú)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(wèn)題，模塊內(nèi)部采用低寄生電感功率回路設(shè)計(jì)，同時(shí)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(shì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的在于克服現(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(shì)，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過(guò)500kHz、輸出功率超過(guò)IOOkW應(yīng)用領(lǐng)域的緊湊型高頻大功率碳化硅MOSFET模塊。[0008]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(hào)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(guò)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娃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(lái)，并通過(guò)鋁線將碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之間連接起來(lái)，至少三個(gè)功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對(duì)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(guò)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(guò)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(gè)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(dòng)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(duì)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(guò)200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒(méi)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(duì)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(wú)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(shí)，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對(duì)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(hào)端子的嵌孔，同時(shí)在外殼的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過(guò)螺絲緊固的螺母孔。
[0015]本實(shí)用新型主要解決的是開發(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(jì)、高溫封裝材料選型及高工作結(jié)溫封裝工藝開發(fā)等問(wèn)題；它具有高溫、高頻、大功率等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過(guò)500kHz、輸出功率超過(guò)IOOkW應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本實(shí)用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本實(shí)用新型的內(nèi)部平面示意圖。
[0019]圖4為半橋模塊的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1-5所示，本實(shí)用新型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(hào)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(guò)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(lái)，并通過(guò)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(lái)，至少3個(gè)功率端子6焊接在絕緣陶瓷基板9的對(duì)應(yīng)位置上。
[0021 ] 本實(shí)用新型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(guò)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(guò)螺絲緊固在一起。
[0022]本實(shí)用新型所述殼體內(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(gè)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(dòng)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(duì)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(guò)200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒(méi)為準(zhǔn)。
[0024]本實(shí)用新型所述功率端子6在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋對(duì)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(wú)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(shí)，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對(duì)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(hào)端子的嵌孔，同時(shí)在外殼的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過(guò)螺絲緊固的螺母孔14。
[0027]實(shí)施例:如圖所示，本實(shí)用新型主要包括: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(hào)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 ；
[0028]絕緣陶瓷基板9通過(guò)高溫回流焊接到散熱基板I上，在絕緣陶瓷基板9上焊接有碳化娃mosfet芯片10和碳化娃SBD芯片12、13,碳化娃mosfet芯片10和碳化娃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(lái)，并通過(guò)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(lái)，至少三個(gè)功率端子6焊接在絕緣陶瓷基板9的對(duì)應(yīng)位置上；
[0029]模塊采用低高度(最佳16mm)設(shè)計(jì)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(kuò)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(shì)。
[0030]注塑外殼2通過(guò)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(duì)模塊內(nèi)部的功率芯片提供保護(hù)作用，避免來(lái)自外界環(huán)境的污染，
[0031]外蓋3和外殼2之間通過(guò)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(duì)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(guò)螺絲緊固的方式連接在一起。
[0032]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。
[0033]半橋模塊的電路原理圖見(jiàn)圖4所示，外形見(jiàn)圖1，它有三個(gè)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)。
[0034]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(hào)端子如圖1所示分布在模塊兩側(cè)，每個(gè)模塊的總量不超過(guò)8個(gè)，功率端子的分布位置見(jiàn)圖1，方便用戶將模塊連接到外部功率電路。
[0035]該系列模塊的功率端子采用具有機(jī)械緩沖的結(jié)構(gòu)，避免外界在安裝等過(guò)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(wú)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(shí)，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對(duì)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(hào)端子，同時(shí)在外殼的四側(cè)設(shè)計(jì)有螺母孔14，用于和外蓋部分通過(guò)螺絲緊固。
[0036]此系列模塊因?yàn)榭偢邽?6mm，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?lì)l應(yīng)用中可以減小功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)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(jìn)。
【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(hào)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(guò)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(lái)，并通過(guò)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(lái)，至少三個(gè)功率端子(6)焊接在絕緣陶瓷基板(9)的對(duì)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(guò)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(guò)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(gè)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(dòng)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(duì)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(guò)200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒(méi)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(duì)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(wú)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(shí)，提供模塊內(nèi)部的電氣部件對(duì)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(hào)端子的嵌孔，同時(shí)在外殼(2)的四側(cè)設(shè)置有用于和外蓋通過(guò)螺絲緊固的螺母孔(14)。
【文檔編號(hào)】H01L23/492GK203746828SQ201420045476
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)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(qǐng)人:嘉興斯達(dá)微電子有限公司