专利名称：碳化硅功率模块的封装方法及碳化硅功率模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳化硅功率器件封装领域，特别是涉及一种碳化硅功率模块的封装方 法及碳化硅功率模块。
背景技术：
功率半导体器件广泛应用于计算机、网络通信、消费电子、工业控制、汽车电子、机 车牵引、钢铁冶炼、大功率电源、电力系统等领域，除了保证这些设备的正常运行以外，功率 器件还能起到有效的节能作用，在发展低碳经济、节能减排、控制气候变暖等方面不可或缺。传统的硅基功率器件受制于硅材料所固有的物理属性的限制，在高频高功率应用 领域已经遇到了难以克服的困难。在这种情况下，基于碳化硅的功率器件脱颖而出，凭借碳 化硅材料击穿电场强度高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高和热导率高等特点，可大幅 降低逆变器及变频器等电力转换类器件的能量损失和体积重量。可以预见，碳化硅功率器 件将在未来能源系统中扮演越来越重要的角色。自从碳化硅功率肖特基二极管问世以来， 围绕碳化硅功率器件的开发和应用日趋活跃，高品质、大直径的碳化硅衬底和大幅改善的 元件接连亮相，并成功应用于开关模式电源、燃料电动车逆变器、空调变频器和太阳能发电 系统等领域。碳化硅功率模块的封装按管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法的不同，主要分 为压接结构、焊接结构、直接敷铜基板结构等。压接式结构采用平板型或螺栓型封装的管芯 压接互连技术，电接触依靠内外部施加压力实现，较好地解决了热疲劳稳定性问题，可制作 大电流、高功率密度的功率模块。但是这种封装方式对管芯、压块、底板等零部件平整度要 求很高，否则不仅将增大模块的接触热阻，而且会损伤芯片，严重时芯片会碎裂。这些问题 在多芯片并联压接封装的情况下尤为严重。由于碳化硅在晶体生长过程中形成微管和其它缺陷的问题至今尚未彻底解决， 制造大电流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片还难以得到。为了使碳化硅功率器件能 在大电流条件下工作，必须将多个碳化硅芯片并联封装。碳化硅功率器件的工作温度可达 600°C，远高于硅功率器件的150°C。碳化硅功率器件的高温工作能力不仅使其在实际应用 中充分发挥高频高功率的优势，而且降低了对系统热预算的要求。但是，传统的并联封装技 术采用焊接合金把器件的一个端面贴合在衬板上，另外的端面与铝线或金线键合在一起。 这种方法在大功率、高温工作条件下缺乏可靠性，热循环能力差，而且不具备足够的机械强 度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种碳化硅功率模块的封装方法，该封装方法可使 碳化硅功率模块在大功率、高温工作条件下具有较高的可靠性，较强的热循环能力。本发明一种碳化硅功率模块的封装方法，包括以下步骤在钼板上焊接一层氮化
3铝隔离层，将碳化硅芯片放置到氮化铝隔离层的空格中，与钼板焊接；在碳化硅芯片上焊接 钼块，钼块上预留门极引线槽；将引线放置在门极引线槽内，焊接固定，收集引线并引出； 用环氧树脂将钼板、氮化硅隔离层及碳化硅芯片整体浇筑成型，安装底座、管壳和管盖，进 行封装。优选的，在安装底座、管壳和管盖之前，还包括在环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层 和碳化硅芯片的接触面填充硅胶。优选的，打磨钼板的阴极面，使钼板的阴极面平整并与钼板阳极面平行。优选的，在碳化硅芯片上焊接钼块时，使用Au-20% Ge作为焊料。优选的，收集引线并引出具体为在钼板中央收集引线并引出，引线引出之后采用 套环绝缘。优选的，管壳材料为柯阀合金，与瓷环的匹配封接成圆环形。优选的，所述封装为使用冷压焊密封。本发明还提供一种碳化硅功率模块，该封装方法可使碳化硅功率模块在大功率、 高温工作条件下具有较高的可靠性，较强的热循环能力。本发明一种碳化硅功率模块，碳化硅芯片焊接在钼板的阳极钼片和阴极钼片之 间，碳化硅芯片的外周为氮化铝隔离层；碳化硅芯片上设有钼块，门极引线从钼块的门极引 线槽内引出，焊接固定；环氧树脂填充在钼板、氮化铝隔离层及碳化硅芯片上，外周分别安 装有底座、管壳和管盖。优选的，环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层和碳化硅芯片的接触面填充有硅胶。优选的，所述钼板的阴极面平整并与钼板阳极面平行。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明通过合理的封装材料和结构选择避免了模块承受过大的热冲击和热膨胀 失配。本发明在碳化硅芯片和氮化铝隔壁层的热膨胀系数非常相近，有效避免热膨胀失配。 氮化铝隔离层和钼板都具有高的热导率，利于碳化硅芯片的散热，避免碳化硅芯片承受过 大的热冲击。这样保证碳化硅功率模块能在250°C的高温下工作。本发明通过高温环氧树脂整体成型和单面研磨的办法解决了多芯片并联压装的 受力不均勻问题，提高碳化硅功率模块的机械强度。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。图1为本发明碳化硅功率模块封装流程图；图2为本发明钼板、氮化铝隔离层和碳化硅芯片示意图；图3为本发明在碳化硅芯片上焊接钼板示意图；图4为本发明引线设置示意图；图5为本发明浇注环氧树脂示意图；图6为本发明安装底座、管壳示意图7为本发明安装管盖示意图；图8为本发明碳化硅功率模块立体分解图；图9为本发明碳化硅功率模块剖视图；图10为图9的局部放大图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提出了一套适用于碳化硅多芯片并联的压接式封装方案，这个方案采用合 理的结构设计与合适的封装材料，广泛适用于碳化硅晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT、JEFT、 BJT等功率器件，使器件能在250°C高温下稳定工作，散热密度可达450W/cm2。此外，该方法 不仅解决了多芯片压接受力不均勻的问题，而且封装非常方便。碳化硅多芯片并联压接式封装具有操作方便、稳定性高、热循环能力强等优点，但 是，要将压接式封装技术应用于碳化硅芯片的并联封装需要解决多芯片封装的操作方便 性、芯片受力均勻性、热应力失配和控制极(比如IGBT的栅极或晶闸管的门极)的引出等 关键问题。参见图1，示出本发明碳化硅功率模块封装流程图，具体包括以下步骤步骤S101、选择一圆形钼板21 (见图幻，在钼板21上焊接一层氮化铝(AlN)隔离 层22，将碳化硅芯片23放置到AlN隔离层22的方格中，与钼板21焊接。AlN隔离层22次 序设置次序多个方格，每个方格距离相当，每个方格放置一个碳化硅芯片23。钼板21、A1N隔离层22及碳化硅芯片23的热膨胀系数相近，可避免因热膨胀系数 相差较大导致的断裂。AlN隔离层22具有高的热导率，利于碳化硅芯片23的散热。步骤S102、在碳化硅芯片23上焊接钼块24(见图3)，钼块M上预留门极引线槽 241，焊接时选择Au-20% Ge作为焊料。步骤S103、将引线25放置在门极引线槽Ml内(见图4)，焊接固定，在钼板21中 央收集并引出。引线25引出之后采用套环绝缘。焊接时焊料选择AU-20%Ge。该引线25 为碳化硅芯片23的门极引线。这样，实现多个碳化硅芯片23的并联设置。步骤S104、采用环氧树脂将钼板21、AlN隔离层22及碳化硅芯片23整体浇筑成 一个圆片(见图5，环氧树脂与各封装元件的接触面采用硅胶过渡，将阴极面打磨平整并确 保与阳极面平行。双组分硅胶在250°C能长期保持弹性，并具有优良的电气性能和化学稳定性。碳化 硅功率模块整体成型后表面研磨可以解决多芯片压接遇到的受力不均勻的问题，并使后续 封装步骤易于操作。步骤S105、为圆片安装底座观，装入管壳29(见图6)。底座观为镀镍铜，热导率 高，散热性能良好；管壳四材料为柯阀合金，与95% A1203瓷环的匹配封接成圆环，包住圆 片。步骤S106、合上管盖30，使用冷压焊密封(见图7)。压装后压力通过管盖30和管 座观传递给各接触面，以保证良好的热学和电学连接。参见图8，示出本发明碳化硅功率模块立体分解图，从上到下依次为管盖30、环氧树脂和硅胶等填充物32、门极引线25、阳极钼片211、碳化硅芯片23、氮化铝隔离层22、阴极 钼片212、定位销31和管座28。参见图9和10，碳化硅功率模块剖视图和局部放大图，在钼板21的阳极钼片211 和阴极钼片212之间固定碳化硅芯片23，碳化硅芯片23的外周是氮化铝隔离层22，环氧树 脂和硅胶等填充物32填充在钼板21、AlN隔离层22及碳化硅芯片23上。碳化硅芯片上设有钼块(图中未示出)，门极引线25从钼块的门极引线槽内引出， 焊接固定；该碳化硅功率模块上线分别安装管盖30和管座28，四周安装有管壳四。该碳化 硅功率模块中心设有定位销31。参见表1，示出本发明主要封装材料的热学和导电特定及用途。
权利要求
1.一种碳化硅功率模块的封装方法，其特征在于，包括以下步骤在钼板上焊接一层氮化铝隔离层，将碳化硅芯片放置到氮化铝隔离层的空格中，与钼 板焊接；在碳化硅芯片上焊接钼块，钼块上预留门极引线槽； 将引线放置在门极引线槽内，焊接固定，收集引线并引出；用环氧树脂将钼板、氮化硅隔离层及碳化硅芯片整体浇筑成型，安装底座、管壳和管 盖，进行封装。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在安装底座、管壳和管盖之前，还包括 在环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层和碳化硅芯片的接触面填充硅胶。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，打磨钼板的阴极面，使钼板的阴极面平整并 与钼板阳极面平行。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在碳化硅芯片上焊接钼块时，使用Au-20% Ge作为焊料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，收集引线并引出具体为 在钼板中央收集引线并引出，引线引出之后采用套环绝缘。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，管壳材料为柯阀合金，与瓷环的匹配封接成 圆环形。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封装为使用冷压焊密封。
8.一种碳化硅功率模块，其特征在于，碳化硅芯片焊接在钼板的阳极钼片和阴极钼片 之间，碳化硅芯片的外周为氮化铝隔离层；碳化硅芯片上设有钼块，门极引线从钼块的门极 引线槽内引出，焊接固定；环氧树脂填充在钼板、氮化铝隔离层及碳化硅芯片上，外周分别安装有底座、管壳和管至ΓΤΠ ο
9.如权利要求8所述的模块，其特征在于，环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层和碳化硅芯 片的接触面填充有硅胶。
10.如权利要求8所述的模块，其特征在于，所述钼板的阴极面平整并与钼板阳极面平行。
全文摘要
本发明涉及一种碳化硅功率模块的封装方法，包括以下步骤在钼板上焊接一层氮化铝隔离层，将碳化硅芯片放置到氮化铝隔离层的空格中，与钼板焊接；在碳化硅芯片上焊接钼块，钼块上预留门极引线槽；将引线放置在门极引线槽内，焊接固定，收集引线并引出；用环氧树脂将钼板、氮化硅隔离层及碳化硅芯片整体浇筑成型，安装底座、管壳和管盖，进行封装。本发明还提供一种碳化硅功率模块。本发明可使碳化硅功率模块在大功率、高温工作条件下具有较高的可靠性，较强的热循环能力。
文档编号H01L21/50GK102148169SQ20111000050
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者丁荣军, 刘博 , 刘国友, 吴煜东, 张明, 彭勇殿, 曾文彬, 罗海辉, 雷云 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司