一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥及其制备方法。

背景技术：

碳化硅肖特基二极管反向恢复时间为零，因为其独特的势垒结构容易实现较高的反向击穿电压。

目前碳化硅肖特基二极管单管方面已经做出了不少的品种，但是，由于产品的高压、大电流等特殊性能，无法直接应用传统整流桥的封装结构，需要面临以下几个封装难题：

1)二极管芯片需要同时焊接4只，且芯片面积较大，要解决焊接可靠性的问题；

2)传统的塑封材料不能胜任高压应用，在10kv的反压下芯片的反向漏电约在50微安，但是环氧塑料封装引起的漏电已经远大于芯片漏电，而且，塑封材料的吸湿性会导致漏电逐渐变大，降低长期可靠性；

3)选用金属陶瓷外壳，虽然保证了气密性，但是需要防止空气击穿带来的可靠性；

4)高功率下，普通的塑封桥式整流电路无法耗散较大的损耗，导致芯片工作温度较高，降低产品可靠性。

因此，如何解决现有技术中的芯片焊接可靠性低、塑料封装漏电大、金属外壳引起的空气击穿、无法耗散较大的损耗等问题，提高产品的长期可靠性是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥，该碳化硅肖特基整流桥所具有的结构能够解决现有技术中的芯片焊接可靠性低、塑料封装漏电大、金属外壳引起的空气击穿、无法耗散较大的损耗等问题，提高产品的长期可靠性。本发明的另外一个目的是提供一种上述高压大功率碳化硅肖特基整流桥的制备方法。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥，包括金属陶瓷封装外壳、四个芯片、八根键合丝以及高绝缘电阻灌封胶；

所述金属陶瓷封装外壳包括金属底板、金属框、金属盖板、钼片、氮化铝陶瓷片、四块铜钼铜片、四个陶瓷绝缘子以及四根引线；

所述金属底板封盖所述金属框的底端出口且所述金属盖板封盖所述金属框的顶端出口以使得所述金属底板、金属框以及金属盖板构成一个内含空腔的密封箱体结构，所述金属底板与所述金属框通过银铜钎料钎焊连接；

所述金属底板的位于空腔中的表面上设置有凹坑；

所述钼片通过银铜钎料钎焊在所述凹坑中；

所述氮化铝陶瓷片通过银铜钎料钎焊在所述钼片的上表面上；

四块铜钼铜片通过银铜钎料钎焊平铺在所述氮化铝陶瓷片的上表面上且四块铜钼铜片构成导电图形；

所述金属框的一个侧面壁上开设有四个用于穿插固定所述陶瓷绝缘子的第一通孔；

每个所述陶瓷绝缘子上沿其轴向中心线设置有用于穿插固定所述引线的第二通孔；

所述陶瓷绝缘子通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第一通孔中，四个陶瓷绝缘子与四个第一通孔一一对应；

所述引线通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第二通孔中，四根引线与四个第二通孔一一对应；

四个引线的且位于所述空腔中的一端与相应的四块铜钼铜片通过导电线一一对应地电连接；

所述金属底板、金属框、钼片、四块铜钼铜片、四根引线以及四根导电线的所有外露的金属面上从内到外依次镀有一层镍与一层金；

所述芯片通过真空钎焊铅锡银钎料焊接在所述铜钼铜片上的金镀层上，且四个芯片与四块铜钼铜片一一对应；

八根键合丝中每两根为一组，一共是四组键合丝，每组键合丝的一端通过超声键合与所述芯片的上表面上的键合区连接，每组键合丝的另一端通过超声键合与一块铜钼铜片连接，四组键合丝与四个芯片一一对应且四组键合丝与四块铜钼铜一一对应；

四个芯片、四块铜钼铜片、四组键合丝以及四根引线按照碳化硅肖特基整流桥的电路结构进行电连接；

所述空腔中灌注有用于整体包裹封盖所述空腔中的所有零件的高绝缘电阻灌封胶；

所述金属盖板与所述金属框通过平行缝焊焊接密封连接。

优选的，所述金属底板为无氧铜材质。

优选的，所述引线为直径1.2mm的无氧铜引线。

优选的，所述键合丝为直径0.38mm、纯度大于等于99.99％的铝丝，每组中的两根键合丝并联连接。

本申请还提供一种上述的高压大功率碳化硅肖特基整流桥的制备方法，包括以下步骤：

1)制作金属陶瓷封装外壳：

所述金属陶瓷封装外壳包括金属底板、金属框、金属盖板、钼片、氮化铝陶瓷片、四块铜钼铜片、四个陶瓷绝缘子以及四根引线；

所述金属底板封盖所述金属框的底端出口，且所述金属底板与所述金属框通过银铜钎料钎焊连接以使得所述金属底板以及金属框构成一个内含空腔的上开口箱体结构；

所述金属底板的位于空腔中的表面上设置有凹坑；

所述钼片通过银铜钎料钎焊在所述凹坑中；

所述氮化铝陶瓷片通过银铜钎料钎焊在所述钼片的上表面上；

四块铜钼铜片通过银铜钎料钎焊平铺在所述氮化铝陶瓷片的上表面上且四块铜钼铜片构成导电图形；

所述金属框的一个侧面壁上开设有四个用于穿插固定所述陶瓷绝缘子的第一通孔；

每个所述陶瓷绝缘子上沿其轴向中心线设置有用于穿插固定所述引线的第二通孔；

所述陶瓷绝缘子通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第一通孔中，四个陶瓷绝缘子与四个第一通孔一一对应；

所述引线通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第二通孔中，四根引线与四个第二通孔一一对应；

四个引线的且位于所述空腔中的一端与相应的四块铜钼铜片通过导电线一一对应地电连接；

2)镀镍与镀金：在所述金属底板、金属框、钼片、四块铜钼铜片、四根引线以及四根导电线的所有外露的金属面上从内到外先镀一层镍再镀一层金；

3)真空钎焊芯片：将所述芯片通过真空钎焊铅锡银钎料焊接在所述铜钼铜片上的金镀层上，且四个芯片与四块铜钼铜片一一对应；

4)超声键合：八根键合丝中每两根为一组，一共是四组键合丝，将每组键合丝的一端通过超声键合与所述芯片的上表面上的键合区连接，将每组键合丝的另一端通过超声键合与一块铜钼铜片连接，四组键合丝与四个芯片一一对应且四组键合丝与四块铜钼铜一一对应；

四个芯片、四块铜钼铜片、四组键合丝以及四根引线按照碳化硅肖特基整流桥的电路结构进行电连接；

5)灌胶：然后向所述空腔中灌注高绝缘电阻灌封胶以用于整体包裹封盖所述空腔中的所有零件；

6)平行缝焊：待步骤5)中的高绝缘电阻灌封胶固化后，将所述金属盖板与所述金属框通过平行缝焊焊接密封连接以使得所述金属盖板封盖所述金属框的顶端出口且所述金属底板、金属框以及金属盖板构成一个内含空腔的密封箱体结构；至此高压大功率碳化硅肖特基整流桥制备完成。

优选的，所述银铜钎料包括重量百分数为72％的ag以及重量百分数为28％的cu。

优选的，所述铅锡银钎料的成分为pb92.5wt％—sn5wt％—ag2.5wt％。

本发明提供了一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥及其制备方法，选用金属陶瓷外壳以适用于大功率高功耗的电路，选用高导热的无氧铜材料作为金属底板，内部选用高热导率的氮化铝陶瓷片作为电路载体，采用高温合金钎料焊接芯片，电连接采用高纯铝丝超声键合，电路内部采用高绝缘电阻灌封胶灌封，采用平行缝焊工艺保证了电路的气密性；经过实验验证，本申请提供的高压大功率碳化硅肖特基整流桥可以在1200v的电压下正常工作，其外壳对地的绝缘耐压为3500v/dc。

附图说明

图1为为本发明实施例提供的一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥在平行缝焊之前的主视结构示意图；

图2为图1中的高压大功率碳化硅肖特基整流桥在镀镍与镀金之前的主视结构示意图；

图3为图2的a-a向的剖面结构示意图；

图4为图1中的金属底板、金属框以及金属盖板构成的内含空腔的密封箱体的剖面结构示意图。

图中：1金属陶瓷封装外壳，101金属底板，102金属框，103金属盖板，104钼片，105氮化铝陶瓷片，106铜钼铜片，107陶瓷绝缘子，108引线，109第一通孔，2芯片，201铅锡银钎料，3键合丝，4导电线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1～图4，图1为为本发明实施例提供的一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥在平行缝焊之前的主视结构示意图；图2为图1中的高压大功率碳化硅肖特基整流桥在镀镍与镀金之前的主视结构示意图；图3为图2的a-a向的剖面结构示意图；图4为图1中的金属底板、金属框以及金属盖板构成的内含空腔的密封箱体的剖面结构示意图。

本申请提供了一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥，包括金属陶瓷封装外壳1、四个芯片2、八根键合丝3以及高绝缘电阻灌封胶；

所述金属陶瓷封装外壳1包括金属底板101、金属框102、金属盖板103、钼片104、氮化铝陶瓷片105、四块铜钼铜片106、四个陶瓷绝缘子107以及四根引线108；

所述金属底板101封盖所述金属框102的底端出口且所述金属盖板103封盖所述金属框102的顶端出口以使得所述金属底板101、金属框102以及金属盖板103构成一个内含空腔的密封箱体结构，所述金属底板101与所述金属框102通过银铜钎料钎焊连接；

所述金属底板101的位于空腔中的表面上设置有凹坑；

所述钼片104通过银铜钎料钎焊在所述凹坑中；

所述氮化铝陶瓷片105通过银铜钎料钎焊在所述钼片104的上表面上；

四块铜钼铜片106通过银铜钎料钎焊平铺在所述氮化铝陶瓷片105的上表面上且四块铜钼铜片106构成导电图形；

所述金属框102的一个侧面壁上开设有四个用于穿插固定所述陶瓷绝缘子107的第一通孔109；

每个所述陶瓷绝缘子107上沿其轴向中心线设置有用于穿插固定所述引线108的第二通孔；

所述陶瓷绝缘子107通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第一通孔109中，四个陶瓷绝缘子107与四个第一通孔109一一对应；

所述引线108通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第二通孔中，四根引线108与四个第二通孔一一对应；

四个引线108的且位于所述空腔中的一端与相应的四块铜钼铜片106通过导电线4一一对应地电连接；

所述金属底板101、金属框102、钼片104、四块铜钼铜片106、四根引线108以及四根导电线4的所有外露的金属面上从内到外依次镀有一层镍与一层金；

所述芯片2通过真空钎焊铅锡银钎料201焊接在所述铜钼铜片106上的金镀层上，且四个芯片2与四块铜钼铜片106一一对应；

八根键合丝3中每两根为一组，一共是四组键合丝3，每组键合丝3的一端通过超声键合与所述芯片2的上表面上的键合区连接，每组键合丝3的另一端通过超声键合与一块铜钼铜片106连接，四组键合丝3与四个芯片2一一对应且四组键合丝3与四块铜钼铜一一对应；

四个芯片2、四块铜钼铜片106、四组键合丝3以及四根引线108按照碳化硅肖特基整流桥的电路结构进行电连接；

所述空腔中灌注有用于整体包裹封盖所述空腔中的所有零件的高绝缘电阻灌封胶；

所述金属盖板103与所述金属框102通过平行缝焊焊接密封连接。

在本发明的一个实施例中，金属底板101为无氧铜材质。

在本发明的一个实施例中，所述引线108为直径1.2mm的无氧铜引线108。

在本发明的一个实施例中，所述键合丝3为直径0.38mm、纯度大于等于99.99％的铝丝，每组中的两根键合丝3并联连接。

本申请还提供了一种上述的高压大功率碳化硅肖特基整流桥的制备方法，包括以下步骤：

1)制作金属陶瓷封装外壳1：

所述金属陶瓷封装外壳1包括金属底板101、金属框102、金属盖板103、钼片104、氮化铝陶瓷片105、四块铜钼铜片106、四个陶瓷绝缘子107以及四根引线108；

所述金属底板101封盖所述金属框102的底端出口，且所述金属底板101与所述金属框102通过银铜钎料钎焊连接以使得所述金属底板101以及金属框102构成一个内含空腔的上开口箱体结构；

所述金属底板101的位于空腔中的表面上设置有凹坑；

所述钼片104通过银铜钎料钎焊在所述凹坑中；

所述氮化铝陶瓷片105通过银铜钎料钎焊在所述钼片104的上表面上；

四块铜钼铜片106通过银铜钎料钎焊平铺在所述氮化铝陶瓷片105的上表面上且四块铜钼铜片106构成导电图形；

所述金属框102的一个侧面壁上开设有四个用于穿插固定所述陶瓷绝缘子107的第一通孔109；

每个所述陶瓷绝缘子107上沿其轴向中心线设置有用于穿插固定所述引线108的第二通孔；

所述陶瓷绝缘子107通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第一通孔109中，四个陶瓷绝缘子107与四个第一通孔109一一对应；

所述引线108通过银铜钎料钎焊穿插固定在所述第二通孔中，四根引线108与四个第二通孔一一对应；

四个引线108的且位于所述空腔中的一端与相应的四块铜钼铜片106通过导电线4一一对应地电连接；

2)镀镍与镀金：在所述金属底板101、金属框102、钼片104、四块铜钼铜片106、四根引线108以及四根导电线4的所有外露的金属面上从内到外先镀一层镍再镀一层金；

3)真空钎焊芯片2：将所述芯片2通过真空钎焊铅锡银钎料201焊接在所述铜钼铜片106上的金镀层上，且四个芯片2与四块铜钼铜片106一一对应；

4)超声键合：八根键合丝3中每两根为一组，一共是四组键合丝3，将每组键合丝3的一端通过超声键合与所述芯片2的上表面上的键合区连接，将每组键合丝3的另一端通过超声键合与一块铜钼铜片106连接，四组键合丝3与四个芯片2一一对应且四组键合丝3与四块铜钼铜一一对应；

四个芯片2、四块铜钼铜片106、四组键合丝3以及四根引线108按照碳化硅肖特基整流桥的电路结构进行电连接；

5)灌胶：然后向所述空腔中灌注高绝缘电阻灌封胶以用于整体包裹封盖所述空腔中的所有零件；

6)平行缝焊：待步骤5)中的高绝缘电阻灌封胶固化后，将所述金属盖板103与所述金属框102通过平行缝焊焊接密封连接以使得所述金属盖板103封盖所述金属框102的顶端出口且所述金属底板101、金属框102以及金属盖板103构成一个内含空腔的密封箱体结构；至此高压大功率碳化硅肖特基整流桥制备完成。

在本发明的一个实施例中，步骤2)中，镀镍形成的镍镀层的厚度≥3μm，镀金形成的金镀层的厚度≥1.2μm。

在本发明的一个实施例中，所述银铜钎料包括重量百分数为72％的ag以及重量百分数为28％的cu。

在本发明的一个实施例中，所述铅锡银钎料201的成分为pb92.5wt％—sn5wt％—ag2.5wt％。

在本发明的一个实施例中，高绝缘电阻灌封胶为中昊晨光化工公司生产的gn521型双组份硅凝胶，且为透明胶。

上述步骤1)中，将制作金属陶瓷封装外壳1所需的金属底板101、金属框102、金属盖板103、钼片104、氮化铝陶瓷片105、四块铜钼铜片106、四个陶瓷绝缘子107以及四根引线108按照上述的金属陶瓷封装外壳1的结构形式，或者以及图1、图2与图3中所示的金属陶瓷封装外壳1的结构形式组装起来，用石墨模具作为定位工装，然后将组装完成的组装件放入气氛保护高温烧结炉内进行钎焊成型，在气氛保护高温烧结炉内的高温环境下，银铜钎料熔化将需要钎焊的件连接起来，优选的，银铜钎料的钎焊熔化温度为800℃～840℃，优选的为830℃，氮气总流量为100l/min。

本申请解决上述技术问题的工作原理：

1)二极管芯片2需要同时焊接4只，且芯片2面积较大，要解决焊接可靠性的问题，为此本申请设计了合适的石墨夹具，可以同时定位4只芯片2，且采用真空焊接的方法，一次焊接成型；

2)传统的塑封材料不能胜任高压应用，在10kv的反压下芯片2的反向漏电约在50微安，但是环氧塑料封装引起的漏电已经远大于芯片2漏电，而且，塑封材料的吸湿性会导致漏电逐渐变大，降低长期可靠性，为此本申请选用高体电阻率的gn521型双组份硅凝胶进行涂覆，它的体电阻率高达1×10¹³ω·cm，而且该胶固化后，不吸收潮气，因此不会带来漏电增大的问题；

3)选用金属陶瓷外壳，虽然保证了气密性，但是需要防止空气击穿带来的可靠性，为此本申请在保证导电图形能够承受规定电流的基础上，缩小了导电图形的宽度，使两导电图形之间的间距拉大，并在芯片2键合完成后，在导电图形上也用gn521型双组份硅凝胶进行涂覆，防止空气击穿；

4)高功率下，普通的塑封桥式整流电路无法耗散较大的损耗，导致芯片2工作温度较高，降低产品可靠性，为此本申请选用无氧铜材料制作金属底板101，上面真空钎焊钼片104，真空钎焊空洞率小，这两种材料既有较好的热匹配性，又有较高的热导率，无氧铜的热导率为390w/m·k，钼的热导率为130w/m·k，所以芯片2工作时产生的热量易于散出，保证了产品的长期可靠性。

本发明提供了一种高压大功率碳化硅肖特基整流桥及其制备方法，选用金属陶瓷外壳以适用于大功率高功耗的电路，选用高导热的无氧铜材料作为金属底板101，内部选用高热导率的氮化铝陶瓷片105作为电路载体，采用高温合金钎料焊接芯片2，电连接采用高纯铝丝超声键合，电路内部采用高绝缘电阻灌封胶灌封，采用平行缝焊工艺保证了电路的气密性；经过实验验证，本申请提供的高压大功率碳化硅肖特基整流桥可以在1200v的电压下正常工作，其外壳对地的绝缘耐压为3500v/dc。

本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。