一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法

技术领域

本发明属于功率器件封装技术领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法。

背景技术

与硅器件相比，碳化硅功率器件被称为高压和高开关频率器件。碳化硅功率半导体具有固有的优势，如高电压阻断能力，低通态压降，高开关速度和低热阻。因此，与硅功率器件相比，碳化硅功率器件具有更小的导通和开关损耗，且具有更高的工作温度。基于碳化硅MOSFET的双向开关功率模块可以具有更高的工作温度，更高的封装集成化及更高的可靠性。

纳米银焊膏作为一种无铅的界面连接材料，可以通过低温烧结技术实现功率半导体芯片的连接。由于纳米银焊膏具有熔点高、电导率和热导率高、工艺温度低等优点，它逐步替代了传统焊料合金和导电环氧树脂，并广泛应用于高温功率半导体器件中。

矩阵变换器是一种直接变换型的交流-交流电力变换装置。最典型的拓扑为由交流三相变换到交流三相，他的输入输出段之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器。目前，矩阵变换器电路大都是使用分立器件搭建，功率密度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法，具有更高的工作频率，更好的可靠性，更低的热阻，良好的电气性能，更高的封装集成度，尺寸大大缩小。

本发明采用以下技术方案：

一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，包括铜底板，铜底板上横向设置有DBC基板，DBC基板上叠加设置有第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板和第二PCB板通过引线键合的方式引出驱动端子，DBC基板包括多块，每块DBC基板的功率回路通过功率端子引出，所有DBC基板上设置的碳化硅MOSFET芯片的漏极连接构成9个双向开关。

具体的，本发明的特点还在于：每个双向开关包括4片碳化硅MOSFET芯片，4片碳化硅MOSFET芯片设置在一块DBC基板上，通过两两并联构成两组以实现共漏极连接，两组的源极分别通过引线键合引出至对应的源极基板。

具体的，本发明的特点还在于：DBC基板包括三个，每块DBC基板的正面设置有第一铜层，每块DBC基板的背面设置有第二铜层，第一铜层上设置有三片金属基板；铜底板上对应设置有第一螺孔、第二螺孔和第三螺孔。

具体的，本发明的特点还在于：驱动端子为PIN针，包括24个，功率端子为铜片，包括6个。

具体的，本发明的特点还在于：第一PCB板和第二PCB板之间使用绝缘胶隔离连接。

具体的，本发明的特点还在于：驱动端子包括栅极端子和源极端子，第一PCB板用于引出栅极端子，第二PCB板用于引出源极端子。

具体的，本发明的特点还在于：第一PCB板和第二PCB板均为4层结构，通过过孔使层与层之间部分连接。

本发明的另一技术方案是，一种制备碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块的方法，包括以下步骤：

S1、分别在DBC基板和铜底板上的对应位置处印制一层纳米银焊膏，将碳化硅MOSFET芯片贴附在DBC基板上；将DBC基板贴附在铜底板上；

S2、将步骤S1印刷好纳米银焊膏并完成贴片的铜底板进行真空烧结；

S3、将第一PCB板贴附于第二PCB板上，将用作驱动端子的PIN针分别焊接在第一PCB板和第二PCB板上；

S4、将步骤S3完成焊接的第一PCB板和第二PCB板取出，在步骤S2真空烧结处理后的DBC基板上印刷一层绝缘胶，将第二PCB板贴附于绝缘胶上；

S5、在DBC基板上功印刷一层纳米银焊膏，将功率端子放置在纳米银焊膏处并进行焊接，完成碳化硅MOSFET芯片到DBC基板的电极区域以及第一PCB板和第二PCB板相应位置的引线键合；

S6、使用环氧树脂对步骤S5完成端子焊接的DBC基板进行塑封，得到碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块。

具体的，本发明的特点还在于：步骤S2中，真空烧结的温度为25～300℃，时间为1～2h。

具体的，本发明的特点还在于：步骤S6中，先对塑封好的模块进行抽真空处理，然后采用灌封胶进行灌封。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，DBC基板上设置的碳化硅MOSFET芯片，具有更高的工作频率，更好的可靠性，更低的热阻以及良好的电气性能，铜底板上横向设置有DBC基板，DBC基板上叠加设置有第一PCB板和第二PCB板，封装集成度高，尺寸大大缩小，第一PCB板和第二PCB板通过引线键合的方式引出驱动端子，驱动端子通过多层PCB引出(利用了模块的垂直空间)，整体模块尺寸较小，功率回路面积较小，寄生电感较小。

进一步的，模块中使用1200V/140A的碳化硅MOSFET芯片，碳化硅芯片可在300℃下长期工作，最高温度可达600℃；采用碳化硅芯片，模块可工作在高温环境下，开关频率更高，可靠性更好。

进一步的，DBC基板设计尽量使得功率回路较短，芯片布局对称，减小寄生电感及并联电流不均的影响。

进一步的，功率端子需要流通大功率，故需要设置为大铜片，驱动无需大电流，设置为PIN针，减小占用的空间。

进一步的，第一PCB与第二PCB之间采用绝缘隔离连接，避免驱动短路。

进一步的，将驱动的栅极端子和源极端子单独引出，满足开尔文连接。

进一步的，PCB板的布局利用了磁场自消除效应，减小了寄生电感。

一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块的制备方法，芯片及电极端子与DBC基板之间的互连材料为纳米银焊膏，纳米银焊膏具有熔点高、电导率和热导率高、工艺温度低等优点，可以通过低温烧结技术实现功率半导体芯片的连接，使用纳米银焊膏真空烧结，可减小芯片焊接的空洞率，减小模块的热阻，增强模块的可靠性。

进一步的，真空烧结的温度为25～300℃，时间为1～2h，保证烧结质量，致密度高，孔洞率低，在真空烧结条件下，工艺操作简便，还可避免填料对烧结体表面的不利作用。

进一步的，对模块进行塑封灌胶，保证模块的绝缘强度。

综上所述，本发明的模块具有体积小，寄生电感小，功率密度大的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为单个DBC的正面示意图；

图2为单个DBC的反面示意图；

图3为3片DBC在铜板上排列的正面示意图；

图4为芯片在DBC上贴片焊接完成后的模块正面示意图；

图5为用于引出栅极端子的PCB板示意图；

图6为用于引出源极端子的PCB板示意图；

图7为两块PCB板贴附完成后的模块正面示意图；

图8为本发明的整体结构示意图。

其中：1.第一铜层；2.第二铜层；3.第一螺孔；4.第二螺孔；5.第三螺孔；6.碳化硅MOSFET芯片；7.第一焊盘；8.第二焊盘；9.第三铜层；10.过孔；11.驱动端子；12.功率端子；13.第一PCB板；14.第二PCB板；15.源极基板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法，采用36片碳化硅MOSFET芯片，2个PCB板和3块氧化铝陶瓷覆铜基板(DBC基板)制作双向开关功率模块，通过引线键合使其形成具有双向导通功能的功率模块，具有更高的工作频率，更好的可靠性，更低的热阻，良好的电气性能，更高的封装集成度，尺寸大大缩小。

请参阅图8，本发明一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，包括：第一PCB板13、第二PCB板14、3块氧化铝陶瓷覆铜基板(DBC基板)、铜底板、6个功率端子12和24个驱动端子11，3块DBC横向紧密排列在铜底板上构成9个双向开关，6个功率端子12对应连接3块DBC基板；第一PCB板13和第二PCB板14叠加于3块DBC基板之上，通过引线键合的方式将驱动端子11在PCB板上引出，驱动端子11包括18个栅极端子和6个源极端子，第一PCB板13用于引出栅极端子，将36片芯片两两一组，构成18个功率开关，将18个开关的栅极通过引线键合分别连接至第一PCB板13的不同位置，进而连接至栅极端子。第二PCB板14用于引出源极端子，将18个功率开关的源极每3个一组连接在一起，引出至驱动源极构成矩阵变换器的拓扑结构，形成具有双向导通能力的功率模块。

每个双向开关包括4片碳化硅MOSFET芯片6，采用芯片共漏极连接结构，4片碳化硅MOSFET芯片6两两并联，实现共漏极连接，将两组芯片的漏极分别通过引线键合的方式引出，连接至对应的源极基板15，请参考图4，引出方式为一组引至上方的基板，另一组引至下方的基板，即构成一个双向开关。

请参阅图1、图2、图3和图4，铜底板上设置3块DBC基板，每块DBC基板的正面设置有第一铜层1，背面设置有第二铜层2，第一铜层1上设置有三片金属基板，每个金属基板上放置4枚碳化硅MOSFET芯片6，金属基板的上下两侧对应设置有源极基板15，12枚碳化硅MOSFET芯片6组成3个双向开关，铜底板充当塑封模具的底板，用于散热；铜底板上对应设置有第一螺孔3、第二螺孔4和第三螺孔5，用于固定PCB驱动板、模块外壳与铜底板。

驱动端子11为24个，功率端子12为6个；驱动端子11采用PIN针，功率端子12采用铜片。

第一PCB板13和第二PCB板14之间使用绝缘胶进行隔离；用于引出栅极端子的第一PCB板13略窄，位于上方，第二PCB板14位于下方，紧贴在DBC基板的正面上。

请参阅图5、图6、图7，第一PCB板13和第二PCB板14均为4层，每层上均设置有第一焊盘7、第二焊盘8和过孔10，第一PCB板13的第一层上设置有第三铜层9，通过过孔10使层与层之间部分连接。

一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块的制备方法，包括以下步骤：

S1、清洁DBC和铜底板，在DBC基板上碳化硅MOSFET芯片的相应位置印刷纳米银焊膏，将碳化硅MOSFET芯片贴附在DBC基板上；在铜底板上3片DBC基板的对应位置利用钢网印刷的方式印制一层纳米银焊膏，将DBC基板贴附于纳米银焊膏层上；

单个DBC基板的正面示意图如图1所示，反面如图2所示，3片DBC基板在铜板上排列的正面示意图如图3所示。

S2、将印刷好纳米银焊膏并完成贴片的模块放入真空烧结炉中，设置温度25～300℃，时间1～2h进行烧结；

S3、在第二PCB板上第一PCB板的对应位置印刷一层绝缘胶，将第一PCB板贴附于第二PCB板上，将用作驱动端子的PIN针焊接在第一PCB板和第二PCB板上；

S4、将完成回流焊接的模块取出，在DBC基板上第二PCB板的对应位置印刷一层绝缘胶，将第二PCB板贴附于绝缘胶上；

S5、完成碳化硅MOSFET芯片到DBC基板的电极区域和PCB板相应位置的引线键合；在DBC基板上功率端子的对应位置印刷一层纳米银焊膏，将功率端子放置在对应位置，在加热台上加热，25～300℃，时间1～2h，焊接端子；

S6、将完成端子焊接的模块放置在塑封模具中，使用环氧树脂进行塑封。

调配好灌封胶后，先对模块进行抽真空处理，再进行灌封，采用绝缘强度满足绝缘要求、透明、防水等特性的灌封胶，如有机硅灌封胶195型号。

本发明的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块制备方法，焊膏可采用纳米烧结银，根据纳米烧结银的温度曲线进行真空烧结，烧结完成后熔点可达900℃，焊接空洞率极低，满足商业化产品对芯片空洞率2％、DBC基板空洞率5％的要求。

综上所述，本发明一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法，使用于硅基电力电子器件或者宽禁带半导体电力电子器件的封装，具有更高的工作频率，更好的可靠性，更低的热阻，良好的电气性能，更高的封装集成度，尺寸大大缩小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。