一种碳化硅功率模块的耐高温封装结构及其封装方法与流程

1.本发明涉及一种封装结构，具体涉及一种碳化硅功率模块的耐高温封装结构及其封装方法。


背景技术：

2.为解决当今全球面临的能源危机、环境污染等问题，各国政府均大力开发新型绿色能源的相关技术，中高功率等级的功率器件作为电力变换、电力推动、自动控制等多个领域的主要器件，功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块，功率模块是实现电能变换和控制的关键元器件，在当下的能源变革中发挥着越来越重要的作用。由于电力传输的易实现、低成本和低污染等优点，现有新型能源的主要能源传输形式主要是电力。无论是太阳能、风能、潮汐能等新型能源方式，还是超高压直流输电等新型输电方式，或者是电动汽车、高速铁路、电力推进等用电系统，都是功率器件、功率模块的用武之地。
3.要求工作频率越来越高、工作温度越来越高、而体积质量越来越小，而碳化硅器件就成为了首选。碳化硅 sic 是目前发展最为成熟的宽禁带半导体材料，碳化硅技术在新一代绿色能源互联网上的应用可以显著提高输运电压等级，降低功耗，提高效率，减小所使用器件的数量和散热器体积，提高电网运行可靠性等，碳化硅器件具有高频、耐高温和高压等特点，能有效降低电力转换时的损耗，有助于设备节能及节省设备占地空间，已成为电力电子装置研究的重要选择。cree、rohm、富士等企业已经纷纷推出sic 功率模块，并在光伏逆变器等领域实现应用。
4.sic功率模块的应用离不开封装，模块成品的质量和可靠性都是与模块封装过程息息相关的，随着集成化发展使得模块体积缩小而电流密度、功率不断增大，导致模块内部能量不易散发从而引起的热负荷和机械负荷越来越严重，温度和约束双方面影响致使应力产生，严重情况下模块可靠性受到影响，且目前的模块耐高温性差，更近一步的提高工作温度需要大力发展其高温封装结构和材料，基于碳化硅材料的功率器件能正常工作在高于500℃，但是，今天为硅器件设计的封装技术有很大温度限制，发展这种高性能封装，必须从封装结构及其材料入手进行研究，以满足碳化硅器件在高温下工作的需求。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种碳化硅功率模块的耐高温封装结构及封装方法，该封装结构简单，紧凑，耐高温，有效增强模块的使用寿命，稳定性提高，降低成本。
6.为了解决以上技术问题，本发明提供一种碳化硅功率模块的耐高温封装结构，包括散热器、封装基板、dbc衬板、碳化硅芯片、功率端子、信号端子及封装外壳，封装基板上表面的一侧设有功率端子，另一侧设有信号端子，封装基板的下表面设有散热器，dbc衬板与封装基板的上表面连接，多个碳化硅芯片设置于dbc衬板上表面与dbc衬板连接，碳化硅芯
片、dbc衬板的上表面设有绝缘薄膜，绝缘薄膜上开设有碳化硅芯片的电极避让孔，多个碳化硅芯片之间通过铜片连接，封装基板外设有扣合碳化硅芯片的封装外壳，其中，封装外壳包括分别设置于封装基板上下两侧的上壳体及下壳体，的上壳体及下壳体的两侧分别向外延伸形成定位耳，上壳体与下壳体通过定位耳及螺栓固定，上壳体上设有功率端子、信号端子的引出孔，下壳体上设有通孔，散热器与下壳体相适配，散热器的一端穿过下壳体上的通孔并伸出下壳体外。
7.在本实施例中，功率端子包括输出端子和输入端子，输出端子设置于封装基板上表面的一侧与dbc衬板连接，输入端子设置于封装基板上表面正对输出端子的另一侧；封装基板上表面未设有功率端子的两侧分别设有信号端子。
8.本发明进一步限定的技术方案是：进一步的，前述碳化硅功率模块的耐高温封装结构中，封装基板的两侧为锯齿形结构，下壳体内设有锯齿形凹槽，封装基板与下壳体相适配。
9.技术效果，本发明中封装基板的两侧成锯齿形结构，带锯齿的封装基板增加散热传递的面积，提高传热效率，散热效率很高，热阻降低 40%，整个功率密度得到提升，体积可以做得更小，寿命更长，同时与下壳体锯齿形凹槽相适配，安装时卡合进去，上壳体直接压制在下壳体上，保证封装基板的稳定，进一步增强稳固性。
10.前述碳化硅功率模块的耐高温封装结构中，封装基板为铝碳化硅基板。
11.技术效果，底板的选择是为绝缘衬底做机械支撑，底板首先要有一定的形变能力，其次要能与绝缘衬底材料相匹配的性能，包括热特性、机械特性与化学特性等。目前电力电子产业中大量使用铜底板，这就要考虑到材料的 cte 性能，即材料的热膨胀系数，铝碳化硅作为一种新复合材料，能与许多绝缘衬底材料的 cte 相近，铝碳化硅是具有低的热膨胀系数，可达到 7.388ppm/k ，高导热率，可达到 190~240w/mk，高弯曲强度以及耐高功率，可以提高热循环等可靠性，铝碳化硅底板需要预弯形成向上的弧形，主要是为了与散热器更平合地接触，弧形的一面朝向热沉。
12.前述碳化硅功率模块的耐高温封装结构中，dbc衬板采用选用铜-氧化铝-铜的组合，各层的厚度分别为0.3、0.38、0.3mm。
13.本发明还设计一种碳化硅功率模块的耐高温封装方法，具体包括以下步骤：步骤1：使用粘合剂将散热器粘合在封装基板的下表面；粘合剂为导热硅胶材料；步骤2：先将第一焊料涂在封装基板上表面设计位置处，将dbc衬板精确按压于第一焊料上，至于真空炉内进行固化；第一焊料为sn62pb36ag2材料；步骤3：通过钢网印刷的方式将第二焊料层印刷在dbc衬板铜板表面对应的焊接位置，将模块所需碳化硅芯片贴装于dbc衬板印刷的第二焊料层表面，将完成贴片的dbc半成品置于真空炉内，进行回流焊接；第二焊料层的焊料为sn5pb92.5ag2.5材质；步骤4：通过清洗剂对焊接完成后的dbc半成品进行清洗，以保证碳化硅芯片表面清洁度；步骤5：在焊接好碳化硅芯片的dbc衬板上采用真空层压技术制备一层绝缘薄膜，
绝缘薄膜制备在dbc衬板及碳化硅芯片需要绝缘的部位；步骤6：随后再次通过纳米银低温烧结技术将铜片与碳化硅芯片焊接，碳化硅芯片之间的走线替成铜片8连接，将各个碳化硅芯片与dbc衬板连接起来，随后通过纳米银低温烧结技术将功率端子、信号端子焊接安装，形成完整的电路结构；步骤7：给焊好的模块加装封装外壳，散热器穿过下壳体内的通孔伸出下壳体，同时封装基板安装在下壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上壳体，分别对上、下外壳进行点胶然后粘合，并通过两侧的定位耳和螺栓再次紧固，各功率端子、信号端子由各自对应的引出孔伸出封装外壳，完成封装。
14.前述碳化硅功率模块的耐高温封装方法中，在上壳体和下壳体中注入灌封材料，灌封材料为有机硅凝胶和填料的混合物，其中：有机硅凝胶按质量份数计包括以下组分：基础硅油：40-50份，扩链剂：10-15份，交联剂：10-20份，抑制剂：8-12份，铂基催化剂：5-10份；基础硅油为聚甲基乙烯基硅氧烷，扩链剂为端链含氢硅油，交联剂为侧链含氢硅油，抑制剂为炔醇类抑制剂；填料为粒径40nm，纯度99.99%的纳米sic颗粒；灌封材料注入上壳体和下壳体的具体操作为：（1）先将纳米 sic颗粒在 100℃下干燥 13h ；（2）将干燥后的纳米 sic 颗粒与 kh-550、无水乙醇混合，超声分散 30min；（3）待乙醇挥发完毕后，将纳米颗粒与有机硅凝胶按体积比6:4混合，放入行星式搅拌机在1800-2000r/min 的转速下高速混合30min，得到灌封材料；（4）将搅拌均匀的灌封材料放入真空箱真空去泡30min，然后进行注入上壳体和下壳体灌封，将其置于常温环境中，经过24h形成软凝胶，完成灌封。
15.技术效果，纯硅凝胶的粘度为 0.8mpa
·
s，添加纳米 sic 之后，复合电介质的粘度增大，且掺杂量越多，粘度增幅越大，呈指数规律增加，添加掺杂量的纳米 sic/硅凝胶的粘度增加为 1.35mpa
·
s，粘度已经增加为纯硅凝胶材料粘度的 2.7 倍；纳米 sic 的加入可以在导带内提供更多的载流子，当电场接近阈值时，导带载流子数量急剧增加，因此电导率得以快速上升；且与纯硅凝胶相比，纳米 sic/硅凝胶复合电介质可显著改善功率模块内部的电场分布，峰值电场强度降低了 44.50%，且整个模块内部电场分布得到了显著改善，这与局部放电实验结果相一致，验证了纳米 sic/硅凝胶复合电介质对于功率模块内部电场分布的优化效果。
16.前述碳化硅功率模块的耐高温封装方法中，上壳体与下壳体为abs 树脂材料制成。
17.技术效果，该材料的绝缘性能、导热性能好，化学性能稳定，且具有金属质感。
18.前述碳化硅功率模块的耐高温封装方法中，步骤7中点胶时采用的胶为等比例混合的甲乙两组分，其中：甲组分按质量份数计包括以下组分：二甲基硅氧烷：20-30份，交联剂溶液：5-15份，pt催化剂：7-10份，填料：4-7份；交联剂溶液为聚乙烯亚胺与醋酸混合溶于水后成，按质量比计为2:1:2；填料是碳酸钙、硅酸盐、六氟铝酸钠、氟硼酸钾、氟硼酸钠、氟化钙、氟化钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的
至少一种；乙组分按质量份数计包括以下组分：酚醛型氰酸酯：10-15份，二苯基甲烷二异氰酸酯：20-30份，抗氧化剂：1～5份，硅烷偶联剂：7-10份，导热填料：4-7份，流平剂：1-3份，抗氧化剂为二叔丁基对甲酚和[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的复配体系；导热填料为氮化硼、氧化铝、氧化锌中的一种；流平剂为丙烯酸酯流平剂。
[0019]
技术效果，甲组分在常温下接触空气中的湿气后即可固话成弹性体，表干时间为3-4h，拥有独特的分子结构，在苛刻工作环境下表现出优异的电气绝缘性能、化学稳定性、弹性、耐湿性、对基材的粘附性、低离子杂质以及加工工艺的兼容特性，对多金属和非金属材料有俩良好的粘接性，为电子电器产品的长期寿命提供了可靠的保障，能在-65-200℃内长期使用；本发明中的胶为双组份，能够扬长避短，本发明树脂是由酚醛型氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯制备而成；克服单纯采用这两种树脂在较低温度区无粘性问题，使胶黏剂的粘温特性满足节点胶黏剂工艺性能要求。其中二苯基甲烷二异氰酸酯对酚醛型氰酸酯具有很好的固化促进作用；导热填料是由不同粒径的粉体极配而成，大大提高了导热系数，并且其粘度和挤出率完全可以通过点胶的方式实现作业。
[0020]
前述碳化硅功率模块的耐高温封装方法中，第一焊料与第二焊料形成的焊料层厚度均为0.17-0.18mm。
[0021]
本发明的有益效果是：本发明在芯片、封装基板的上表面覆盖绝缘薄膜，绝缘薄膜保护铜片与封装基板相互处于绝缘状态，绝缘薄膜通过现有技术中的真空压焊工艺制备在芯片电极周围，整个模块的大小可尽可能的做到最小，实现大电流输出，能在高温下工作，可靠性高，抗烧毁能力强，使用方便。
[0022]
本发明清洗时采用超声波清洗，相较于化学湿法清洗法，超声波清洗技术可以去除表面上 0.05mm 以上的颗粒，另外，超声波清洗清洗利用液态介质能够清洗复杂微小工装，因此超声波清洗技术可以清洗复杂的几何形状，这在生成过程中的焊接工装夹具的清洗极为方便，对比而言，喷射清洗和离子清洁更具有方向性，且超声清洗技术比喷射清洗效果好 5 到 10 倍，清洗更干净便于满足后续工艺实施的要求，增强最终封装结构的性能。
[0023]
本发明芯片之间的的走线替换成铜片连接，（1）提高模块的抗电流冲击能力；（2）降低引线电感，降低 emc；（3）提高模块的热疲劳能力；（4）同等负载电流下，比走线键合降低芯片温度；（5）提高模块抗振动能力，整体减小模块的寄生参数，继而减小损耗，使模块不会有过多的热应力，提高耐高温的特性，保证模块的可靠性。
[0024]
本发明在对模块进行二次焊接时要保证一次焊接使用的焊料不会再发生熔化，若焊料反复发生熔化无法保证成品模块的可靠性，因此需要使用高低温焊料进行焊接，因此本发明在封装时采用两种焊料，一个是高温焊料，一个是低温焊料，保证可靠性。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例碳化硅功率模块的耐高温封装结构的示意图；图2为本发明实施例碳化硅功率模块的耐高温封装结构中封装外壳的结构示意
图；图3为本发明实施例碳化硅功率模块的耐高温封装结构的剖面图；图中，1-散热器，2-封装基板，3
‑ꢀ
dbc衬板，4-碳化硅芯片，5-功率端子，6-信号端子，7-铜片，8-上壳体，9-下壳体，10-定位耳。
具体实施方式
[0026]
实施例1本实施例提供一种碳化硅功率模块的耐高温封装结构，结构如图1-3所示，包括散热器1、封装基板2、dbc衬板3、碳化硅芯片4、功率端子5、信号端子6及封装外壳，封装基板2上表面的一侧设有功率端子5，另一侧设有信号端子6，封装基板2的下表面设有散热器1，dbc衬板3与封装基板2的上表面连接，多个碳化硅芯片4设置于dbc衬板3上表面与dbc衬板3连接，碳化硅芯片4、dbc衬板3的上表面设有绝缘薄膜，绝缘薄膜上开设有碳化硅芯片4的电极避让孔，多个碳化硅芯片4之间通过铜片7连接，封装基板2外设有扣合碳化硅芯片的封装外壳，其中，封装外壳包括分别设置于封装基板2上下两侧的上壳体8及下壳体9，上壳体8及下壳体9的两侧分别向外延伸形成定位耳10，上壳体8与下壳体9通过定位耳10及螺栓固定，上壳体8上设有功率端子5、信号端子6的引出孔，下壳体9上设有通孔，散热器1与下壳体9相适配，散热器1的一端穿过下壳体9上的通孔并伸出下壳体9外。
[0027]
在本实施例中，功率端子5包括输出端子和输入端子，输出端子设置于封装基板2上表面的一侧与dbc衬板3连接，输入端子设置于封装基板2上表面正对输出端子的另一侧；封装基板2上表面未设有功率端子5的两侧分别设有信号端子6。
[0028]
在本实施例中，封装基板2的两侧为锯齿形结构，下壳体9内设有锯齿形凹槽，封装基板2与下壳体9相适配。
[0029]
在本实施例中，封装基板2为铝碳化硅基板。
[0030]
在本实施例中，dbc衬板3采用选用铜-氧化铝-铜的组合，各层的厚度分别为0.3、0.38、0.3mm。
[0031]
实施例2本实施例还设计一种碳化硅功率模块的耐高温封装方法，包括以下步骤：步骤1：使用粘合剂将散热器粘合在封装基板的下表面；粘合剂为导热硅胶材料；步骤2：先将第一焊料涂在封装基板上表面设计位置处，将dbc衬板精确按压于第一焊料上，至于真空炉内进行固化；第一焊料为sn62pb36ag2材料；熔点在179-180℃；步骤3：通过钢网印刷的方式将第二焊料层印刷在dbc衬板铜板表面对应的焊接位置，将模块所需碳化硅芯片贴装于dbc衬板印刷的第二焊料层表面，将完成贴片的dbc半成品置于真空炉内，进行回流焊接；第二焊料层的焊料为sn5pb92.5ag2.5材质；熔点在235-241℃；步骤4：通过清洗剂对焊接完成后的dbc半成品进行清洗，以保证碳化硅芯片表面清洁度；
步骤5：在焊接好碳化硅芯片的dbc衬板上采用真空层压技术制备一层绝缘薄膜，绝缘薄膜制备在dbc衬板及碳化硅芯片需要绝缘的部位，由于铜片8很薄，易受损，绝缘薄膜的存在使铜片贴合绝缘膜，固定铜片的同时保护铜片8不易振动造成不必要的损坏；步骤6：随后再次通过纳米银低温烧结技术将铜片与碳化硅芯片焊接，碳化硅芯片之间的走线替成铜片8连接，将各个碳化硅芯片与dbc衬板连接起来，随后通过纳米银低温烧结技术将功率端子、信号端子焊接安装，形成完整的电路结构；步骤7：给焊好的模块加装封装外壳，散热器穿过下壳体内的通孔伸出下壳体，同时封装基板安装在下壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上壳体，分别对上、下外壳进行点胶然后粘合，并通过两侧的定位耳和螺栓再次紧固，各功率端子、信号端子由各自对应的引出孔伸出封装外壳，完成封装。
[0032]
在本实施例中，在上壳体和下壳体中注入灌封材料，灌封材料为有机硅凝胶和填料的混合物，其中：有机硅凝胶按质量份数计包括以下组分：基础硅油：40份，扩链剂：10份，交联剂：10份，抑制剂：8份，铂基催化剂：5份；基础硅油为聚甲基乙烯基硅氧烷，扩链剂为端链含氢硅油，交联剂为侧链含氢硅油，抑制剂为炔醇类抑制剂；填料为粒径40nm，纯度99.99%的纳米sic颗粒；灌封材料注入上壳体和下壳体的具体操作为：（1）先将纳米sic颗粒在100℃下干燥13h以去除颗粒内部吸潮增加的水分；（2）将干燥后的纳米sic颗粒与kh-550、无水乙醇混合，超声分散30min以实现纳米颗粒表面改性；（3）待乙醇挥发完毕后，将纳米颗粒与有机硅凝胶按体积比6:4混合，放入行星式搅拌机在1800r/min的转速下高速混合30min，得到灌封材料；（4）将搅拌均匀的灌封材料放入真空箱真空去泡30min，然后进行注入上壳体和下壳体灌封，将其置于常温环境中，经过24h形成软凝胶，完成灌封。
[0033]
在本实施例中，上壳体与下壳体为abs树脂材料制成。
[0034]
在本实施例中，步骤7中点胶时采用的胶为等比例混合的甲乙两组分，其中甲组分按质量份数计包括以下组分：二甲基硅氧烷：20份，交联剂溶液：5份，pt催化剂：7份，填料：4份；交联剂溶液为聚乙烯亚胺与醋酸混合溶于水后成，按质量比计为2:1:2；填料是碳酸钙；乙组分按质量份数计包括以下组分：酚醛型氰酸酯：10份，二苯基甲烷二异氰酸酯：20份，抗氧化剂：1份，硅烷偶联剂：7份，导热填料：4份，流平剂：1份，抗氧化剂为二叔丁基对甲酚和[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的复配体系；导热填料为氮化硼；流平剂为丙烯酸酯流平剂。
[0035]
在本实施例中，第一焊料与第二焊料形成的焊料层厚度均为0.18mm。
[0036]
对模块先用现有技术进行热特性测试，具体数据见表1；表1热特性实测数据样品h/mmtj/℃r
th
/（℃
·
w-1
）实测热阻增长率/%
实施例1中焊层0.16111.380.2621.162实施例1中焊层0.17112.410.2650.765实施例1中焊层0.18114.120.2730.764实施例1中焊层0.19114.860.2781.124实施例1中焊层0.20115.340.2811.795表中：h为焊层厚度，tj为结温，环境温度设定为25℃，功率240w。
[0037]
从表1实测数据可以看出，当焊层厚度增加到0.18mm时，热阻增长率比较平缓，增长了约 0.764%，焊层厚度增加到 0.20mm后热阻增长率变大，热阻随着焊料厚度的增加而增加，增加量的大小取决于焊料的导热系数、焊层空洞率和焊层厚度，要降低热阻，焊层厚度就不能太厚，但是，焊层的热应力会随着焊层厚度的增大而减小，这是由于焊层厚度增加后，有更大的体积承受热失配所产生的能量，减小了单位体积承受的热失配能量，所以热应力会减小，因此在封装工艺中，要综合平衡焊层厚度对热阻、热应力及整体封装厚度的影响，以提高模块封装的热可靠性。
[0038]
通过x射线对样品进行扫描，观测样品空洞，计算空洞面积与扫描面积的比值得到样品空洞率，将样品在150℃下存储170h进行老化，随着焊层厚度的增加，空洞率是递减的，当焊层厚度为 0.18mm时空洞率小于2%，焊层厚度为0.20mm时空洞率变化很小，而从表1中可知此时热阻增长率变大，认为焊层厚度小于0.18mm时影响热阻的主要因素是空洞率，空洞率降低热阻下降; 当空洞率不变时，焊层厚度成为影响热阻的主要因素，老化后焊层的空洞率发生了明显变化，之前的小空洞连接到一起形成了大面积空洞，而且焊层越薄，空洞变化越明显，这主要是由于焊料较少时在熔化状态下无法铺满整个焊接区域，容易形成大空洞; 而焊层厚热阻又会增加，经过多次热循环后，焊层容易出现裂纹和分层，导致焊层疲劳，模块失效；因此本发明结合热阻和空洞率分析选择0.18mm作为焊层厚度，既考虑了良好的导热性又兼顾了热应力的释放，保证模块的最佳性能。
[0039]
根据实际使用环境情况，可在封装外壳表面设置一层保护层，保护层按质量份数计包括以下组分：甲基苯基聚硅氧烷树脂：30份，聚烯烃弹性体：10份，苯乙烯系弹性体：10份，十二烷基三甲氧基硅烷：5份，纳米氧化硅微粉：5份，碳化硅 sic 微粉：10份，多峰氧化铝微粉：4份，碳化硼 cb4：1份，碳纤维：5份，石墨烯/聚吡咯聚合物5份，耐火填料5份，乙酸乙酯：20份，分散剂1份，增塑剂：3份，阻燃剂：20份，硅烷偶联剂：4份，固化剂5份；苯乙烯系弹性体为丁二烯-苯乙烯共聚物sbs；聚烯烃弹性体为采用乙烯；固化剂为二乙烯三胺；分散机为三聚磷酸钠；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚壬二酸酐或聚氨酯；耐火填料为白炭黑；保护层的制备具体如下：（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗1次，自然晾干；（2）向高速分散机的搅拌罐中加入甲基苯基聚硅氧烷树脂、乙酸乙酯、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及十二烷基三甲氧基硅烷，搅拌20min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、碳化硅 sic 微粉、纳米氧化硅微粉、多峰氧化铝微粉、分散剂、碳化硼 cb4继续搅拌，待搅拌均匀后加入碳纤维、耐火填料及增塑剂，提升转速至300r/min，搅拌10min，然后调节转速至300r/min，搅拌10min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、阻燃剂制得防护层的涂料；
（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用喷枪喷涂在封装外壳外表面，干燥固化得到保护层。
[0040]
实施例3本实施例还设计一种碳化硅功率模块的耐高温封装方法，包括以下步骤：步骤1：使用粘合剂将散热器粘合在封装基板的下表面；粘合剂为导热硅胶材料；步骤2：先将第一焊料涂在封装基板上表面设计位置处，将dbc衬板精确按压于第一焊料上，至于真空炉内进行固化；第一焊料为sn62pb36ag2材料；熔点在179-180℃；步骤3：通过钢网印刷的方式将第二焊料层印刷在dbc衬板铜板表面对应的焊接位置，将模块所需碳化硅芯片贴装于dbc衬板印刷的第二焊料层表面，将完成贴片的dbc半成品置于真空炉内，进行回流焊接；第二焊料层的焊料为sn5pb92.5ag2.5材质；熔点在235-241℃；步骤4：通过清洗剂对焊接完成后的dbc半成品进行清洗，以保证碳化硅芯片表面清洁度；步骤5：在焊接好碳化硅芯片的dbc衬板上采用真空层压技术制备一层绝缘薄膜，绝缘薄膜制备在dbc衬板及碳化硅芯片需要绝缘的部位，由于铜片8很薄，易受损，绝缘薄膜的存在使铜片贴合绝缘膜，固定铜片的同时保护铜片8不易振动造成不必要的损坏；步骤6：随后再次通过纳米银低温烧结技术将铜片与碳化硅芯片焊接，碳化硅芯片之间的走线替成铜片8连接，将各个碳化硅芯片与dbc衬板连接起来，随后通过纳米银低温烧结技术将功率端子、信号端子焊接安装，形成完整的电路结构；步骤7：给焊好的模块加装封装外壳，散热器穿过下壳体内的通孔伸出下壳体，同时封装基板安装在下壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上壳体，分别对上、下外壳进行点胶然后粘合，并通过两侧的定位耳和螺栓再次紧固，各功率端子、信号端子由各自对应的引出孔伸出封装外壳，完成封装。
[0041]
在本实施例中，在上壳体和下壳体中注入灌封材料，灌封材料为有机硅凝胶和填料的混合物，其中：有机硅凝胶按质量份数计包括以下组分：基础硅油：50份，扩链剂：15份，交联剂：20份，抑制剂：12份，铂基催化剂：10份；基础硅油为聚甲基乙烯基硅氧烷，扩链剂为端链含氢硅油，交联剂为侧链含氢硅油，抑制剂为炔醇类抑制剂；填料为粒径40nm，纯度99.99%的纳米sic颗粒；灌封材料注入上壳体和下壳体的具体操作为：（1）先将纳米 sic颗粒在 100℃下干燥 13h 以去除颗粒内部吸潮增加的水分；（2）将干燥后的纳米 sic 颗粒与 kh-550、无水乙醇混合，超声分散 30min 以实现纳米颗粒表面改性；（3）待乙醇挥发完毕后，将纳米颗粒与有机硅凝胶按体积比6:4混合，放入行星式搅拌机在1800-2000r/min 的转速下高速混合30min，得到灌封材料；（4）将搅拌均匀的灌封材料放入真空箱真空去泡30min，然后进行注入上壳体和下壳体灌封，将其置于常温环境中，经过24h形成软凝胶，完成灌封。
[0042]
在本实施例中，上壳体与下壳体为abs 树脂材料制成。
[0043]
在本实施例中，步骤7中点胶时采用的胶为等比例混合的甲乙两组分，其中甲组分按质量份数计包括以下组分：二甲基硅氧烷：30份，交联剂溶液:15份，pt催化剂：10份，填料：7份；交联剂溶液为聚乙烯亚胺与醋酸混合溶于水后成，按质量比计为2:1:2；填料是硅酸盐；乙组分按质量份数计包括以下组分：酚醛型氰酸酯：15份，二苯基甲烷二异氰酸酯：30份，抗氧化剂：5份，硅烷偶联剂：10份，导热填料：7份，流平剂：3份，抗氧化剂为二叔丁基对甲酚和[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的复配体系；导热填料为氧化铝；流平剂为丙烯酸酯流平剂。
[0044]
在本实施例中，第一焊料与第二焊料形成的焊料层厚度均为0.17mm。
[0045]
根据实际使用环境情况，可在封装外壳表面设置一层保护层，保护层按质量份数计包括以下组分：甲基苯基聚硅氧烷树脂：40份，聚烯烃弹性体：15份，苯乙烯系弹性体：13份，十二烷基三甲氧基硅烷：8份，纳米氧化硅微粉：7份，碳化硅 sic 微粉：12份，多峰氧化铝微粉：6份，碳化硼 cb4：3份，碳纤维：7份，石墨烯/聚吡咯聚合物10份，耐火填料10份，乙酸乙酯：25份，分散剂2份，增塑剂：5份，阻燃剂：30份，硅烷偶联剂：6份，固化剂7份；苯乙烯系弹性体为氢化丁二烯-苯乙烯共聚物sebs；聚烯烃弹性体为采用丁烯；固化剂为间苯二胺；分散机为四聚磷酸钠；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚氨酯；耐火填料为碳酸钙；保护层的制备具体如下：（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗3次，自然晾干；（2）向高速分散机的搅拌罐中加入甲基苯基聚硅氧烷树脂、乙酸乙酯、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及十二烷基三甲氧基硅烷，搅拌30min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、碳化硅 sic 微粉、纳米氧化硅微粉、多峰氧化铝微粉、分散剂、碳化硼 cb4继续搅拌，待搅拌均匀后加入碳纤维、耐火填料及增塑剂，提升转速至400r/min，搅拌20min，然后调节转速至330r/min，搅拌15min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、阻燃剂制得防护层的涂料；（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用喷枪喷涂在封装外壳外表面，干燥固化得到保护层。
[0046]
实施例4本实施例还设计一种碳化硅功率模块的耐高温封装方法，包括以下步骤：步骤1：使用粘合剂将散热器粘合在封装基板的下表面；粘合剂为导热硅胶材料；步骤2：先将第一焊料涂在封装基板上表面设计位置处，将dbc衬板精确按压于第一焊料上，至于真空炉内进行固化；第一焊料为sn62pb36ag2材料；熔点在179-180℃；步骤3：通过钢网印刷的方式将第二焊料层印刷在dbc衬板铜板表面对应的焊接位置，将模块所需碳化硅芯片贴装于dbc衬板印刷的第二焊料层表面，将完成贴片的dbc半成
品置于真空炉内，进行回流焊接；第二焊料层的焊料为sn5pb92.5ag2.5材质；熔点在235-241℃；步骤4：通过清洗剂对焊接完成后的dbc半成品进行清洗，以保证碳化硅芯片表面清洁度；步骤5：在焊接好碳化硅芯片的dbc衬板上采用真空层压技术制备一层绝缘薄膜，绝缘薄膜制备在dbc衬板及碳化硅芯片需要绝缘的部位，由于铜片8很薄，易受损，绝缘薄膜的存在使铜片贴合绝缘膜，固定铜片的同时保护铜片8不易振动造成不必要的损坏；步骤6：随后再次通过纳米银低温烧结技术将铜片与碳化硅芯片焊接，碳化硅芯片之间的走线替成铜片8连接，将各个碳化硅芯片与dbc衬板连接起来，随后通过纳米银低温烧结技术将功率端子、信号端子焊接安装，形成完整的电路结构；步骤7：给焊好的模块加装封装外壳，散热器穿过下壳体内的通孔伸出下壳体，同时封装基板安装在下壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上壳体，分别对上、下外壳进行点胶然后粘合，并通过两侧的定位耳和螺栓再次紧固，各功率端子、信号端子由各自对应的引出孔伸出封装外壳，完成封装。
[0047]
在本实施例中，在上壳体和下壳体中注入灌封材料，灌封材料为有机硅凝胶和填料的混合物，其中：有机硅凝胶按质量份数计包括以下组分：基础硅油：45份，扩链剂：12份，交联剂：15份，抑制剂：10份，铂基催化剂：8份；基础硅油为聚甲基乙烯基硅氧烷，扩链剂为端链含氢硅油，交联剂为侧链含氢硅油，抑制剂为炔醇类抑制剂；填料为粒径40nm，纯度99.99%的纳米sic颗粒；灌封材料注入上壳体和下壳体的具体操作为：（1）先将纳米 sic颗粒在 100℃下干燥 13h 以去除颗粒内部吸潮增加的水分；（2）将干燥后的纳米 sic 颗粒与 kh-550、无水乙醇混合，超声分散 30min 以实现纳米颗粒表面改性；（3）待乙醇挥发完毕后，将纳米颗粒与有机硅凝胶按体积比6:4混合，放入行星式搅拌机在1800-2000r/min 的转速下高速混合30min，得到灌封材料；（4）将搅拌均匀的灌封材料放入真空箱真空去泡30min，然后进行注入上壳体和下壳体灌封，将其置于常温环境中，经过24h形成软凝胶，完成灌封。
[0048]
在本实施例中，上壳体与下壳体为abs 树脂材料制成。
[0049]
在本实施例中，步骤7中点胶时采用的胶为等比例混合的甲乙两组分，其中甲组分按质量份数计包括以下组分：二甲基硅氧烷：25份，交联剂溶液：10份，pt催化剂：8份，填料：5份；交联剂溶液为聚乙烯亚胺与醋酸混合溶于水后成，按质量比计为2:1:2；填料是氟硼酸钾；乙组分按质量份数计包括以下组分：酚醛型氰酸酯：12份，二苯基甲烷二异氰酸酯：25份，抗氧化剂：3份，硅烷偶联剂：8份，导热填料：5份，流平剂：2份，抗氧化剂为二叔丁基对甲酚和[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯的复配体系；导热填料为氧化锌；流平剂为丙烯酸酯流平剂。
[0050]
在本实施例中，第一焊料与第二焊料形成的焊料层厚度均为0.18mm。
[0051]
根据实际使用环境情况，可在封装外壳表面设置一层保护层，保护层按质量份数计包括以下组分：甲基苯基聚硅氧烷树脂：35份，聚烯烃弹性体：12份，苯乙烯系弹性体：11份，十二烷基三甲氧基硅烷：6份，纳米氧化硅微粉：6份，碳化硅 sic 微粉：11份，多峰氧化铝微粉：5份，碳化硼 cb4：2份，碳纤维：6份，石墨烯/聚吡咯聚合物8份，耐火填料8份，乙酸乙酯：22份，分散剂2份，增塑剂：4份，阻燃剂：25份，硅烷偶联剂：5份，固化剂6份；苯乙烯系弹性体为丁二烯-苯乙烯共聚物sbs；聚烯烃弹性体为采用乙烯；固化剂为dmp-30/聚酰胺650；分散机为六偏磷酸钠；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚壬二酸酐；耐火填料为滑石粉；保护层的制备具体如下：（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗3次，自然晾干；（2）向高速分散机的搅拌罐中加入甲基苯基聚硅氧烷树脂、乙酸乙酯、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及十二烷基三甲氧基硅烷，搅拌25min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、碳化硅 sic 微粉、纳米氧化硅微粉、多峰氧化铝微粉、分散剂、碳化硼 cb4继续搅拌，待搅拌均匀后加入碳纤维、耐火填料及增塑剂，提升转速至350r/min，搅拌15min，然后调节转速至320r/min，搅拌12min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、阻燃剂制得防护层的涂料；（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用喷枪喷涂在封装外壳外表面，干燥固化得到保护层。
[0052]
本发明根据实际适用环境在封装外壳外面涂覆一层保护层，该保护层中含有阻燃剂，阻燃剂氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物，氢氧化铝是一种环保型阻燃剂，在水、光、热环境中性能稳定，不挥发，且价格低廉，原料易得，同时在燃烧过程中不会释放有害气体，燃烧后的残渣不会污染环境，因而得到了广泛的应用；氢氧化镁是一种新型填充型阻燃剂，其在燃烧时无有害气体释放，燃烧后的残渣也不会对环境造成污染，因而作为环保型阻燃剂得到了日益广泛的应用，两者相辅能扬长避短，发挥其最大的作用；聚烯烃/ 无机阻燃剂体系在阻燃剂添加量很大的情况下才能达到较好的阻燃效果；聚烯烃或弹性体/ 膨胀型阻燃剂虽然在达到阻燃性能的条件下能够保持较好的力学性能，但材料容易吸水导致制品产生电性能下降、表面析出等不良，在潮湿环境下抗电压性能不能通过ul 等相关安规测试；热塑性聚氨酯弹性体是一种具有橡胶的特性而无需交联可反复加工使用的热塑性材料，具有极好的耐磨性、低温柔韧性、耐油性以及高的拉伸强度。但是聚氨酯弹性体加工温度窗口窄，加工流动性对温度极其敏感，挤出成型过程控制困难；往往需要添加增塑剂调整材料的软硬度，但聚氨酯弹性体与增塑剂的相容性差，添加增塑剂后容易出现增塑剂析出，导致制品表面发粘，聚氨酯弹性体的介电常数大于6，特别是绝缘层厚度小的情况耐电压性能达不到安规标准要求；而本发明中采用的聚苯醚是通过高苯乙烯含量的苯乙烯系弹性体、高流动性聚烯烃弹性体及高效耐高温耐水耐湿复配阻燃剂对聚苯醚进行改性，改善了原有的流动性差、硬度高且生产成本高等缺点，制备出的材料具有强度高、加工性能好、无卤阻燃、密度低、拉伸强度高、耐老化性能好、耐低温性好，在98%湿度+85℃高温高湿环境下7天样片表面无裂纹、表面无析出物等优良性能。
[0053]
本发明中加入苯乙烯系弹性体以及聚烯烃弹性体，用弹性体包覆复配阻燃剂形成
微囊结构，均匀分散与树脂中，改善了两相的亲和力，减少了界面的应力集中，从而改善了体系的综合性能（如机械性能和阻燃性能等），同时，用弹性体包覆复配阻燃剂形成微囊结构，使得复配阻燃剂在阻燃方面达到最有效的结合，相比于以往阻燃剂的加入大大降低了体系的绝缘电阻和断裂伸长率，本发明中加入了弹性体，阻燃剂的拉伸强度变化不大，且生产的制品韧性高、耐低温性能好、耐环境应力开裂性能也得到提高；本发明中添加了分散剂，分散剂能增加基料间的亲和性，能防止粒子絮聚，降低涂饰剂的黏度，牢固地吸附在分散粒子的表面，并且提供良好的空间斥力，使粒子在高速搅拌下充分分散后，不会因为范德华力而再次团聚，吸附层也不会在受到外力作用时从粒子表面剥离而导致体系的不稳定，从而优化涂料的物理与化学性能；本发明的涂料中加入了石墨烯/聚吡咯聚合物，可以改善水性环氧树脂的分散性，提高水性环氧树脂的防腐性能；本发明中聚吡咯呈球形颗粒均匀分散在石墨烯片层和边缘，在石墨烯片层的缺陷处复合数量更大，一定程度地弥补了石墨烯层的缺陷；本发明中含有碳化硼 cb4和碳纤维颗粒增强和纤维增强双效机制赋予材料优越的高温性能，大幅度提高了材料的使用寿命；综上所述，该保护层使得封装外壳具有优异的耐高温，耐磨，耐腐蚀性能，延长其是使用寿命。
[0054]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。