一种高频大功率碳化硅mosfet模块的制作方法
【专利摘要】一种高频大功率碳化硅MOSFET模块，它包括散热基板、壳体，封装于壳体内的电路结构，壳体包括外壳和盖于外壳上的外盖，电路结构包括功率端子、信号端子、绝缘陶瓷基板、碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片；所述绝缘陶瓷基板通过高温回流焊接到散热基板上，在绝缘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芯片与绝缘陶瓷基板上刻蚀的电路结构连接起来，并通过铝线将碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之间连接起来，至少三个功率端子焊接在绝缘陶瓷基板的对应位置上；所述壳体包括外壳和盖于外壳上的外盖，所述外壳通过密封胶与散热基板的外侧部分粘结在一起，壳体内部灌有硅凝胶，所述外盖和外壳之间通过螺丝紧固在一起；它具有高温、高频、大功率等优势，可应用于开关频率超过500kHz、输出功率超过100kW应用领域。
【专利说明】一种高频大功率碳化硅MOSFET模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种高频大功率碳化硅MOSFET模块，属于半导体模块封装【技术领域】。
技术背景
[0002]高频大功率半导体模块主要应用于电能转换的应用场合，如:感应加热、逆变焊机、UPS、电解电镀电源等，传统大功率半导体模块主要包括:IGBT (绝缘栅双极型晶体管)、功率MOSFET (场效应晶体管)、晶闸管以及功率二极管等，功率半导体模块是将以上功率半导体芯片封装成各种电路基本单元，应用于电力电子系统功率回路。
[0003]目前对于大功率器件开关频率高达IOOkHz以上的应用，一般使用硅基高压mosfet器件或娃基coolmos器件,而传统的IGBT器件一般只适用于开关频率低于IOOkHz的应用领域。目如利用娃基闻压mosfet和娃基coolmos设计的闻频系统因为器件本身的损耗较高、最高可允许工作结温不超过175度、价格昂贵、需要多片分立器件并联以提供大电流输出等诸多原因，导致电力电子高频系统频率做到500kHz就难以再继续提升，同时面临系统效率低、体积大等缺点。
[0004]当前以碳化硅mosfet和碳化硅SBD为代表的新一代宽禁带半导体器件取得突破，业界已经有600V和1200V的碳化硅mosfet和SBD分离器件可供客户选用，但因为分离器件不适合应用于大功率系统，如存在需要大量并联、器件间连线复杂、寄生参数大、安装拆换复杂、系统可靠性低、参数一致性难以控制等问题，致使碳化硅器件难以应用于大功率高频高压系统中，目前唯一的解决办法是解决碳化硅芯片的模块设计问题，为用户提供高集成度、闻压、闻频、大电流的1旲块广品，可以从根本上解决闻频系统面临的诸多问题，大幅提升系统性能。
[0005]碳化硅器件模块着重需要解决的技术问题主要有:低寄生电感设计以满足高频要求，高温封装材料及封装工艺的开发。
[0006]目前电力电子行业使用量最大的功率模块封装仍然采用的是34mm、62mm宽度的封装结构，该模块结构具有30mm高度，这种类型的功率模块功率密度不高，其内部功率回路的寄生电感较大，无法适应某些应用领域对高功率密度和低寄生电感的要求，故本专利提出使用新型的16mm紧凑型低寄生电感封装以解决该问题，模块内部采用低寄生电感功率回路设计，同时模块内部选用高温封装材料，如:硅凝胶、焊料、密封胶等，要求以上材料可以承受200度以上连续工作，如此碳化硅模块可以充分发挥宽禁带半导体器件的高工作结温的优势。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种具有高温、高频、大功率的优势，可应用于开关频率超过500kHz、输出功率超过IOOkW应用领域的紧凑型高频大功率碳化硅MOSFET模块。[0008]本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的:所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块,它包括散热基板、壳体，封装于壳体内的电路结构，壳体包括外壳和盖于外壳上的外盖，电路结构包括功率端子、信号端子、绝缘陶瓷基板、碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片；所述绝缘陶瓷基板通过高温回流焊接到散热基板上，在绝缘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芯片与绝缘陶瓷基板上刻蚀的电路结构连接起来，并通过铝线将碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之间连接起来，至少三个功率端子焊接在绝缘陶瓷基板的对应位置上。
[0009]所述壳体包括外壳和盖于外壳上的外盖,所述外壳通过密封胶与散热基板的外侧部分粘结在一起，壳体内部灌有硅凝胶，所述外盖和外壳之间通过螺丝紧固在一起。
[0010]所述壳体内部封装的电路结构包含半桥电路结构，包括抑制mosfet体二极管形式和利用mosfet体二极管两种形式；所述半桥电路结构有三个功率端子引出壳体外部，所述碳化娃mosfet芯片上串联一片碳化娃SBD芯片，另在两者旁边反并联一片碳化娃SBD芯片；所述碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片的栅极各串接一片以改善各并联芯片之间动态均流的贴片电阻。
[0011]所述碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片的上表面之间米用招线键合,碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片对绝缘陶瓷基板的焊接采用PbSnAg或SnAu高温焊料；所述绝缘陶瓷基板采用SnAgCu或SnAg焊料与散热基板基板焊接；所述绝缘陶瓷基板上灌有玻璃化温度超过200度的硅凝胶，灌封的硅凝胶高度以将所有键合铝线浸没为准。
[0012]所述功率端子在模块外盖以上部分折成90度，外盖对应功率端子折弯后的安装孔处嵌有安装螺母；所述功率端子顶部与壳体内的散热基板底部距离，即模块的总高在15_18mm,优选 1 Bmnin
[0013]所述壳体内焊接有两块或四块绝缘陶瓷基板，所述绝缘陶瓷基板为三层结构，上下层均为高导无氧铜，中间层为A1203或AlN或Si3N4陶瓷层，该陶瓷层在将功率芯片产生的热量传到模块底部散热基板的同时，提供模块内部的电气部件对散热基板的绝缘，该绝缘陶瓷基板上刻蚀有可提供功率芯片之间互联的联接电路。
[0014]所述壳体的外壳上设置有用于安装信号端子的嵌孔，同时在外壳的四侧设置有用于和外盖通过螺丝紧固的螺母孔。
[0015]本实用新型主要解决的是开发高压、高频、高温的碳化硅功率半导体模块，解决相应的低寄生电感电路设计、高温封装材料选型及高工作结温封装工艺开发等问题；它具有高温、高频、大功率等优势，可应用于开关频率超过500kHz、输出功率超过IOOkW应用领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的外部结构示意图。
[0017]图2为本实用新型的内部结构示意图。
[0018]图3为本实用新型的内部平面示意图。
[0019]图4为半桥模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的说明。图1-5所示，本实用新型所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，它包括散热基板1、壳体，封装于壳体内的电路结构，壳体包括外壳2和盖于外壳上的外盖3，电路结构包括功率端子6、信号端子7、绝缘陶瓷基板9、碳化硅mosfet芯片10、碳化硅SBD芯片12、13 ;所述绝缘陶瓷基板9通过高温回流焊接到散热基板I上，在绝缘陶瓷基板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与绝缘陶瓷基板9上刻蚀的电路结构连接起来，并通过招线将碳化娃mosfet芯片10、碳化娃SBD芯片12相互之间连接起来，至少3个功率端子6焊接在绝缘陶瓷基板9的对应位置上。
[0021 ] 本实用新型所述的壳体包括外壳2和盖于外壳上的外盖3，所述外壳2通过密封胶与散热基板I的外侧部分粘结在一起，壳体内部灌有硅凝胶，所述外盖和外壳之间通过螺丝紧固在一起。
[0022]本实用新型所述壳体内部封装的电路结构包含半桥电路结构，包括抑制mosfet体二极管形式和利用mosfet体二极管两种形式；所述半桥电路结构有三个功率端子引出壳体外部，所述碳化硅mosfet芯片10上串联一片碳化硅SBD芯片12，另在两者旁边反并联一片碳化硅SBD芯片13，所述碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13的栅极各串接一片贴片电阻以改善各并联芯片之间的动态均流。
[0023]所述碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13上表面之间采用铝线键合，碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片12、13对绝缘陶瓷基板的焊接采用PbSnAg或SnAu高温焊料；所述绝缘陶瓷基板采用SnAgCu或SnAg焊料与散热基板基板焊接；所述绝缘陶瓷基板上灌有玻璃化温度超过200度的硅凝胶，灌封的硅凝胶高度以将所有键合铝线浸没为准。
[0024]本实用新型所述功率端子6在模块外盖以上部分折成90度，外盖对应功率端子折弯后的安装孔处嵌有安装螺母；所述功率端子6顶部与壳体内的散热基板底部距离，即模块的总高在15_18mm,优选16mm。
[0025]所述壳体内焊接有两块或四块绝缘陶瓷基板，所述绝缘陶瓷基板为三层结构，上下层均为高导无氧铜，中间层为A1203或AlN或Si3N4陶瓷层，该陶瓷层在将功率芯片产生的热量传到模块底部散热基板的同时，提供模块内部的电气部件对散热基板的绝缘，该绝缘陶瓷基板9上刻蚀有可提供功率芯片之间互联的电路。
[0026]所述壳体的外壳上设置有用于安装信号端子的嵌孔，同时在外壳的四侧设置有用于和外盖通过螺丝紧固的螺母孔14。
[0027]实施例:如图所示，本实用新型主要包括:散热基板1、壳体，封装于壳体内的电路结构；所述壳体包括外壳2和盖于外壳上的外盖3,电路结构包括功率端子6、信号端子7、绝缘陶瓷基板9、碳化硅mosfet芯片10、碳化硅SBD芯片12、13 ；
[0028]绝缘陶瓷基板9通过高温回流焊接到散热基板I上，在绝缘陶瓷基板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与绝缘陶瓷基板9上刻蚀的电路结构连接起来，并通过铝线5将碳化硅mosfet芯片10和碳化硅SBD芯片12、13相互之间连接起来，至少三个功率端子6焊接在绝缘陶瓷基板9的对应位置上；
[0029]模块采用低高度(最佳16mm)设计以降低寄生电感提高开关频率，模块内部封装材料采用高温材料(焊料、硅凝胶、密封胶)和有利于高温工作的封装工艺(银浆烧结技术、扩散焊接技术、超声焊接技术及铝线键合技术)以充分利用碳化硅器件高工作结温优势。
[0030]注塑外壳2通过环氧密封胶与铜散热基板I的外侧部分粘结在一起，模块内部灌有硅凝胶，固化后对模块内部的功率芯片提供保护作用，避免来自外界环境的污染，
[0031]外盖3和外壳2之间通过螺丝紧固，功率端子6在模块外盖以上部分使用专利用工具折成90度，外盖对应功率端子折弯后的安装孔处嵌有安装螺母，这样模块的用户可以将外部电路与该功率端子通过螺丝紧固的方式连接在一起。
[0032]模块内部封装的电路结构主要为半桥电路结构，包括抑制mosfet体二极管形式和利用mosfet体二极管两种形式。
[0033]半桥模块的电路原理图见图4所示，外形见图1，它有三个功率端子引出到模块外部，模块内部封装成半桥电路结构。
[0034]该半桥模块散热底板底部到功率端子顶部的高度最合适为16mm，极低的模块高度有利于降低模块内部寄生电感，提供模块的开关频率。该系列模块的信号端子如图1所示分布在模块两侧，每个模块的总量不超过8个，功率端子的分布位置见图1，方便用户将模块连接到外部功率电路。
[0035]该系列模块的功率端子采用具有机械缓冲的结构，避免外界在安装等过程中所施加的力传递到功率端子的焊接部位，影响功率端子的可靠性。在模块内部一般焊接有2块或四块绝缘陶瓷基板，该类型绝缘陶瓷基板为三层结构，上下层均为高导无氧铜，中间层为A1203或AlN陶瓷层或Si3N4陶瓷层，该陶瓷层在将功率芯片产生的热量传到模块底部散热器的同时，提供模块内部的电气部件对散热器的绝缘，该绝缘陶瓷基板9上刻蚀有涉及的电路结构，提供功率芯片之间的互联。外壳上涉及有嵌孔用于安装信号端子，同时在外壳的四侧设计有螺母孔14，用于和外盖部分通过螺丝紧固。
[0036]此系列模块因为总高为16mm，相较于传统的30mm高度的模块，总高度减小了近一半，这样在模块内部可以减小功率的高度，体现在模块性能上就是减小了模块的功率回路寄生电感，在|旲块的闻频应用中可以减小功率半导体器件关断时的电压过冲，有利于提闻功率半导体模块的可靠性，是在传统封装系列上的改进。
【权利要求】
1.一种高频大功率碳化硅MOSFET模块，它包括散热基板、壳体，封装于壳体内的电路结构，壳体包括外壳和盖于外壳上的外盖，电路结构包括功率端子、信号端子、绝缘陶瓷基板、碳化娃mosfet芯片、碳化娃SBD芯片；其特征在于所述绝缘陶瓷基板(9)通过高温回流焊接到散热基板(I)上，在绝缘陶瓷基板(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)与绝缘陶瓷基板(9)上刻蚀的电路结构连接起来，并通过铝线将碳化硅mosfet芯片(10)、碳化硅SBD芯片(12、13)相互之间连接起来，至少三个功率端子(6)焊接在绝缘陶瓷基板(9)的对应位置上。
2.根据权利要求1所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于壳体包括外壳(2)和盖于外壳上的外盖(3)，所述外壳(2)通过密封胶与散热基板(I)的外侧部分粘结在一起，壳体内部灌有硅凝胶，所述外盖(3)和外壳(2)之间通过螺丝紧固在一起。
3.根据权利要求1或2所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于所述壳体内部封装的电路结构包含半桥电路结构，包括抑制mosfet体二极管形式和利用mosfet体二极管两种形式；所述半桥电路结构有三个功率端子(6)引出壳体外部，所述碳化硅mosfet芯片(10)上串联一片碳化硅SBD芯片(12)，另在两者旁边反并联一片碳化硅SBD芯片(13),所述碳化娃mosfet芯片和碳化娃SBD芯片的栅极均串接一片以改善各并联芯片之间动态均流的贴片电阻。
4.根据权利要求3所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于所述碳化硅mosfet芯片(10)和碳化硅SBD芯片(12、13)的上表面之间采用铝线键合，碳化硅mosfet芯片(10)和碳化硅SBD芯片(12、13)对绝缘陶瓷基板(9)的焊接采用PbSnAg或SnAu高温焊料；所述绝缘陶瓷基板(9)采用SnAgCu或SnAg焊料与散热基板(I)焊接；所述绝缘陶瓷基板(9)上灌有玻璃化温度超过200度的硅凝胶，灌封的硅凝胶高度以将所有键合铝线浸没为准。
5.根据权利要求3所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于所述功率端子(6)在模块外盖以上部分折成90度，外盖(3)对应功率端子折弯后的安装孔处嵌有安装螺母；所述功率端子(6)顶部与壳体内的散热基板(I)底部距离，即模块的总高在15-18mm。
6.根据权利要求3所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于所述壳体内焊接有两块或四块绝缘陶瓷基板(9)，所述绝缘陶瓷基板(9)为三层结构，上下层均为高导无氧铜，中间层为A1203或AlN或Si3N4陶瓷层，该陶瓷层在将功率芯片产生的热量传到模块底部散热基板(I)的同时，提供模块内部的电气部件对散热基板(I)的绝缘，该绝缘陶瓷基板(9)上刻蚀有可提供功率芯片之间互联的电路。
7.根据权利要求6所述的高频大功率碳化硅MOSFET模块，其特征在于所述壳体的外壳(2)上设置有用于安装信号端子的嵌孔，同时在外壳(2)的四侧设置有用于和外盖通过螺丝紧固的螺母孔(14)。
【文档编号】H01L23/492GK203746828SQ201420045476
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】刘志宏 申请人:嘉兴斯达微电子有限公司