一种压接结构的碳化硅器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域。

背景技术

压接结构的输出整流器件是发电机输出整流装置的重要组成部分，通常安装于发电机上方。传统的输出整流器件，采用硅基芯片，理论上最高结温可达到230℃，能满足大多数的应用需求。但在飞行器、舰船领域随着多电或全电系统得到更多的应用，部分整流器件需长期可靠工作在高达225℃的条件下，因此对器件提出了更高的环境适应性需求。

传统硅基输出整流器件如图1所示，和硅基器件相比，碳化硅器件结温特性更加优异,但由于制造技术和成本的限制，单个碳化硅裸片的额定电流通常在100A以内，难以满足输出整流的功率要求，需要多芯均流并联以提高通流能力。

目前的压接结构为双面散热冷却的平板结构，不能充分发挥碳化硅器件的耐高温的工作特性。

发明内容

为了解决传统碳化硅器件存在的上述问题，本发明提供了一种压接结构的碳化硅器件及其制造方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种压接结构的碳化硅器件，包括管座1、过渡片2、碳化硅芯片3、连桥4、缓冲片5、绝缘块6和管帽7，管帽7安装于管座1上部；管座1包括依次连接的下压块8、封接环9、陶瓷环10、散热环11和座法兰12；管座1内部安装绝缘块6；散热环11内侧通过过渡片2安装碳化硅芯片3，碳化硅芯片3安装连桥4，连桥4连接下压块8。

所述管帽7包括上压块13和法兰14，上压块13和法兰14硬钎焊连接，缓冲片5材质为银，缓冲片5一面固定在上压块13上，缓冲片5另一面固定在绝缘块6上，管帽7与管座1等离子焊密封连接或冷压密封连接。

所述下压块8、封接环9、陶瓷环10、散热环11、座法兰12硬钎焊连接，散热环11外部为裙齿结构，散热环11内部为多边形结构，散热环11材质为无氧铜、钼铜合金或钨铜合金。

所述每组过渡片2、碳化硅芯片3分别位于散热环11的一个内侧面上，过渡片2与碳化硅芯片3之间、碳化硅芯片3与连桥4之间，连桥4与下压块8之间分别纳米银低温烧结连接。

所述过渡片2为钼片，钼片表面镀银。

所述碳化硅芯片3是二极管芯片、IGBT芯片、MOS芯片中的一种或其组合，芯片形状为方形或圆形，芯片电极区为银层或金层。

所述连桥4材质为银，连桥4为至少一个，各个碳化硅芯片3之间安装连桥4，或者一个碳化硅芯片3与一个连桥4连接。

一种压接结构的碳化硅器件制造方法，包括如下步骤：

步骤1，准备纳米银焊膏；

步骤2，将管座1、过渡片2、碳化硅芯片3和连桥4在异丙醇中超声清洗；

步骤3，在净化工作台内将管座1的散热环11一个内侧面、一组过渡片4、碳化硅芯片3和连桥4的各接触表面涂上适量的纳米银焊膏，放入净化加热箱中60℃预烘15分钟。

步骤4，将烧结工装的压头放置在叠装后的连桥4的表面，配重压力15MPa～20MPa；

步骤5，装配完成后，在265℃±15℃的含氮气氛中进行烧结，烧结时间20分钟～30分钟；

步骤6，将缓冲片5固定在管帽7上，压接力为0.7MPa±0.1MPa；

步骤7，将绝缘块6装入管座1内，将管座1和管帽7进行等离子焊封接，封焊电流为3A±0.5A，或者冷压封接，封接压力12MPa±1MPa。

所述步骤4中，配重压力的方向竖直向下，且与散热环11的内侧面垂直。

本发明的一种压接结构的碳化硅器件及其制造方法，通过散热环多边形结构布局实现多个碳化硅芯片均流并联，通过散热环、连桥、上压块、下压块、缓冲片组成散热结构实现三维立体冷却，提高了器件通流能力；将碳化硅芯片通过纳米银低温烧结工艺实现互连，与现有硅基器件对比，碳化硅器件能工作在更高频率、更高温度下，可满足200℃～300℃的工作环境要求。

附图说明

图1是传统硅基输出整流器件结构图。

图2是本发明压接结构的碳化硅器件主视结构图。

图3是本发明碳化硅器件主剖视图。

图4是本发明碳化硅器件俯剖视图。

图中：1、管座，2、过渡片，3、碳化硅芯片，4、连桥，5、缓冲片，6、绝缘块，7、管帽，8、下压块，9、封接环，10、陶瓷环，11、散热环，12、座法兰，13、上压块，14、法兰。

具体实施方式

本发明的一种压接结构的碳化硅器件结构如图2-4所示，包括管座1、过渡片2、碳化硅芯片3、连桥4、缓冲片5、绝缘块6和管帽7，管帽7安装于管座1上部；管座1包括依次连接的下压块8、封接环9、陶瓷环10、散热环11和座法兰12；管座1内部安装绝缘块6；散热环11内侧通过过渡片2安装碳化硅芯片3，碳化硅芯片3安装连桥4，连桥4连接下压块8。

管座1由下压块8、封接环9、陶瓷环10、散热环11和座法兰12硬钎焊而成，散热环11外部为裙齿结构，内部为多边形结构，散热环11材质为无氧铜、钼铜合金或钨铜合金。

过渡片2、碳化硅芯片3和连桥4数量为多个，每个过渡片2、碳化硅芯片3和连桥4依次一一对应设置于结构相同的散热环11的内侧面上，连桥4与管座1的下压块8连接在一起，采用了纳米银低温烧结工艺。过渡片2为钼片，钼片表面镀银。碳化硅芯片3为方形，芯片电极区为银层，连桥4材质为银。

管帽7由上压块13和法兰14硬钎焊而成。缓冲片5材质为银，一面固定在管帽7的上压块13上，另一面固定在绝缘块6上。管帽7与管座1采用等离子焊密封连接或冷压封接。

压接结构的碳化硅器件的制造方法，实施例1包括如下步骤：

步骤1，将纳米银焊膏搅拌充分；

步骤2，将管座、过渡片、碳化硅二极管芯片、连桥在异丙醇中超声清洗15分钟；

步骤3，在净化工作台内将管座的散热环一个内侧接触表面涂上0.1mm厚的纳米银焊膏，一组过渡片、碳化硅二极管芯片的各接触表面涂上0.08mm厚的纳米银焊膏，连桥与下压块的接触表面涂上0.12mm厚的纳米银焊膏，放入净化加热箱中60℃预烘15分钟。

步骤4，将烧结工装的压头放置在叠装后的连桥4的表面，配重压力18MPa，压力方向竖直向下且与散热环内侧面垂直；

步骤5，装配完成后，在265℃的含氮气氛中进行烧结，烧结时间25分钟；重复步骤3、步骤4、步骤5完成其余各组过渡片、碳化硅二极管芯片、连桥与管座散热环的内侧面以及下压块之间的烧结。

步骤6，将缓冲片固定在管帽上，压接力为0.7MPa；

步骤7，将绝缘块装入管座内，将管座和管帽进行等离子焊封接，封焊电流为3A±0.5A。

实施例2包括如下步骤：

步骤1，将纳米银焊膏搅拌充分；

步骤2，将管座、过渡片、碳化硅IGBT芯片、连桥在异丙醇中超声清洗15分钟；

步骤3，在净化工作台内将管座的散热环一个内侧接触表面涂上0.1mm厚的纳米银焊膏，一组过渡片、碳化硅IGBT芯片的各接触表面涂上0.06mm厚的纳米银焊膏，放入净化加热箱中60℃预烘15分钟。

步骤4，将烧结工装的压头放置在叠装后的连桥4的表面，配重压力15MPa，压力方向竖直向下且与散热环内侧面垂直；

步骤5，装配完成后，在255℃的含氮气氮中进行烧结，烧结时间20分钟。重复步骤3、步骤4、步骤5完成其余各组过渡片、碳化硅IGBT芯片、连桥与管座散热环的内侧面之间的烧结；连桥与下压块之间采用高温焊片焊接。

步骤6，将缓冲片固定在管帽上，压接力为0.7MPa；

步骤7，将绝缘块装入管座内，将管座和管帽进行冷压封接，封接压力为12MPa。

具体的在本实施例步骤3中碳化硅IGBT芯片的发射极表面和栅极表面所涂纳米银焊膏型号不同，碳化硅IGBT芯片的栅极不配重。

具体的在本实施例步骤5中，连桥与下压块之间在350℃真空焊接炉中焊接。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。