一种新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，涉及一种新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构。

背景技术

随着半导体产业的飞速发展，以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体的应用日益广泛。其中，SiC器件因其具有更低的内阻、更高导热系数，在高温应用领域具有显著优势。以往的研究中表明，SiC MOSFET的理论工作温度可以达到500℃以上，但实际应用中，由于封装材料、绝缘材料、高温焊料等的限制，商用SiC MOSFET的工作温度最高仅被允许在230℃。一些厂商制造出的对应塑料封装的TOP金属封装外壳，以及陶瓷金属混合封装外壳，可在较高温度下使用，但这两种方法带来的问题也限制了其广泛应用：1)模具制作费用昂贵，且不能灵活更改。2)设计制作周期很长，金属封装需要3个月以上，而陶瓷封装则需要半年以上。3)由于生产周期长，往往无法预生产，当所设计的封装出现问题时可能导致大批量产品报废。4)引脚上极大的寄生参数使器件在高温工作中产生非常大的损耗，带来无法均热、均流的问题，严重情况下会导致器件击穿损坏。

除上述封装外壳的选择与时间、成本、寄生参数之间难以平衡的问题外，高温下的封装还面临着绝缘材料、芯片贴装方法、引脚连接方面的问题：1)常用的绝缘材料为硅凝胶、聚酰亚胺、绝缘油等，其可耐受温度均在300℃以下。2)传统的芯片贴装方法采用高温焊锡膏、金锡焊等，其熔点仅在280℃以下。3)传统的电气连接方式为铝线键合，但由于铝材料熔点的限制，以及金属热膨胀系数的不同，在高温下极易发生键合点脱落的情况。这些都极大地限制了高温下SiC器件封装技术的发展。

功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的模块，相比于分立器件，具有更高的可靠性，更高的功率密度，以及更低的损耗，在电力电子系统中起着至关重要的作用。因此，高温下功率模块的集成也是一个迫切需要关注的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构，该结构具有低成本、高可靠性、低寄生参数及耐高温的特点。

为达到上述目的，本发明所述的新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构包括封装层及引片结构，其中，封装层内设置有第一镀金金属化芯区及第二镀金金属化芯区，封装层的表面开设有自上到下分布的通孔结构，引片结构插入于通孔结构内后与封装层之间密封，第一镀金金属化芯区上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金金属化芯区上设置有下桥臂半导体芯片，其中，引片结构与下桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，封装层内部填充有惰性气体或者为真空结构。

所述封装层包括氮化硅陶瓷盖板、氮化硅陶瓷基板以及设置于氮化硅陶瓷盖板与氮化硅陶瓷基板之间的陶瓷侧壁，陶瓷侧壁与氮化硅陶瓷盖板及氮化硅陶瓷盖板之间通过第一活性金属焊料层及第二活性金属焊料层密封连接。

所述引片结构包括第一镀金铜引片、第二镀金铜引片、第三镀金铜引片、第四镀金铜引片、第五镀金铜引片、第六镀金铜引片、第七镀金铜引片及第八镀金铜引片；

所述通孔结构包括第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔、第六通孔、第七通孔及第八通孔；

其中，第一镀金铜引片插入于第一通孔内，第二镀金铜引片插入于第二通孔内，第三镀金铜引片插入于第三通孔内，第四镀金铜引片插入于第四通孔内，第五镀金铜引片插入于第五通孔内，第六镀金铜引片插入于第六通孔内，第七镀金铜引片插入于第七通孔内，第八镀金铜引片插入于第八通孔内。

氮化硅陶瓷基板的底部为底部金属化层。

上桥臂半导体芯片包括第一碳化硅功率半导体芯片、第二碳化硅功率半导体芯片及第三碳化硅功率半导体芯片，其中，第一碳化硅功率半导体芯片、第二碳化硅功率半导体芯片及第三碳化硅功率半导体芯片通过纳米银烧结或者通过金锡焊料焊接。

下桥臂半导体芯片包括第四碳化硅功率半导体芯片、第五碳化硅功率半导体芯片及第六碳化硅功率半导体芯片，其中，第四碳化硅功率半导体芯片、第五碳化硅功率半导体芯片及第六碳化硅功率半导体芯片通过纳米银烧结或者通过金锡焊料焊接。

引片结构与下桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片之间通过金线或者金带键合连接。

在制作过程中，在真空或者氮气气氛下，将氮化硅陶瓷基板的陶瓷侧壁与氮化硅陶瓷盖板的陶瓷侧壁之间通过第一活性金属焊料层及第二活性金属焊料层密封连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构在具体操作时，封装层内设置有第一镀金金属化芯区及第二镀金金属化芯区，封装层的表面开设有自上到下分布的通孔结构，引片结构插入于通孔结构内后与封装层之间密封，在保证气密性的同时，降低功率模块的寄生电感及寄生电容，可靠性较高，同时封装层内部为真空结构或者充有惰性气体，以保证芯片在高温大功率环境下的可靠运行。

附图说明

图1为本发明内部的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的侧视图。

其中，100为氮化硅陶瓷基板、101为氮化硅陶瓷盖板、102为第一镀金铜引片、103为第二镀金铜引片、104为第三镀金铜引片、105为第四镀金铜引片、106为第五镀金铜引片、107为第六镀金铜引片、108为第七镀金铜引片、109为第八镀金铜引片、110为第一通孔、111为第二通孔、112为第三通孔、113为第四通孔、114为第五通孔、115为第六通孔、116为第七通孔、117为第八通孔、118为第一镀金金属化芯区、119为第二镀金金属化芯区、120为陶瓷侧壁、121为底部金属化层、128为第一活性金属焊料层、129为第二活性金属焊料层、122为第一碳化硅功率半导体芯片、123为第二碳化硅功率半导体芯片、124为第三碳化硅功率半导体芯片、125为第四碳化硅功率半导体芯片、126为第五碳化硅功率半导体芯片、127为第六碳化硅功率半导体芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1至图3，本发明所述的新型耐高温SiC MOSFET半桥多层封装结构包括封装层及引片结构，其中，封装层内设置有第一镀金金属化芯区118及第二镀金金属化芯区119，封装层的表面开设有自上到下分布的通孔结构，引片结构插入于通孔结构内后与封装层之间密封，第一镀金金属化芯区118上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金金属化芯区119上设置有下桥臂半导体芯片，其中，引片结构与下桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，封装层内部为真空结构或者充有惰性气体。

所述封装层包括氮化硅陶瓷盖板101、氮化硅陶瓷基板100以及设置于氮化硅陶瓷盖板101与氮化硅陶瓷基板100之间的陶瓷侧壁120，陶瓷侧壁120与氮化硅陶瓷盖板101及氮化硅陶瓷盖板101之间通过第一活性金属焊料层128及第二活性金属焊料层129密封连接，氮化硅陶瓷基板100的底部为底部金属化层121。

所述引片结构包括第一镀金铜引片102、第二镀金铜引片103、第三镀金铜引片104、第四镀金铜引片105、第五镀金铜引片106、第六镀金铜引片107、第七镀金铜引片108及第八镀金铜引片109；所述通孔结构包括第一通孔110、第二通孔111、第三通孔112、第四通孔113、第五通孔114、第六通孔115、第七通孔116及第八通孔117；其中，第一镀金铜引片102插入于第一通孔110内，第二镀金铜引片103插入于第二通孔111内，第三镀金铜引片104插入于第三通孔112内，第四镀金铜引片105插入于第四通孔113内，第五镀金铜引片106插入于第五通孔114内，第六镀金铜引片107插入于第六通孔115内，第七镀金铜引片108插入于第七通孔116内，第八镀金铜引片109插入于第八通孔117内。

上桥臂半导体芯片包括第一碳化硅功率半导体芯片122、第二碳化硅功率半导体芯片123及第三碳化硅功率半导体芯片124，其中，第一碳化硅功率半导体芯片122、第二碳化硅功率半导体芯片123及第三碳化硅功率半导体芯片124通过纳米银烧结或者通过金锡焊料焊接。

下桥臂半导体芯片包括第四碳化硅功率半导体芯片125、第五碳化硅功率半导体芯片126及第六碳化硅功率半导体芯片127，其中，第四碳化硅功率半导体芯片125、第五碳化硅功率半导体芯片126及第六碳化硅功率半导体芯片127通过纳米银烧结或者通过金锡焊料焊接。

引片结构与下桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片之间通过金线或者金带键合连接。

在制作过程中，在真空或者氮气气氛下，将氮化硅陶瓷基板100的陶瓷侧壁120与氮化硅陶瓷盖板101的陶瓷侧壁120之间通过第一活性金属焊料层128及第二活性金属焊料层129密封连接。

实施例一

第一镀金铜引片102及第三镀金铜引片104作为驱动回路的栅极引片；

第二镀金铜引片103及第四镀金铜引片105作为驱动回路的源极引片。

第一通孔110及第三通孔112对应驱动回路的栅极，第二通孔111及第四通孔113对应驱动回路的源极。

上桥臂半导体芯片的栅极与第一通孔110通过键合线相连接，上桥臂半导体芯片的开尔文源极与第二通孔111相连接。

下桥臂半导体芯片的栅极与第三通孔112通过键合线相连接，下桥臂半导体芯片的开尔文源极与第四通孔113相连接。

第八镀金铜引片109与第八通孔117对应上桥臂半导体芯片的功率源极，在此结构中，采用第八通孔117与上桥臂半导体芯片的源极直接通过键合线相连。

第七镀金铜引片108与第七通孔116对应上桥臂半导体芯片的漏极。在此结构中，将第七通孔116与第一镀金金属化芯区118通过键合线直接相连。

第六镀金铜引片107与第六通孔115对应直流功率负极，即下桥臂半导体芯片的功率源极，在此结构中，将第六通孔115与第二镀金金属化芯区119通过键合线直接相连。

布局结构能够简单地使用栅极引线和源极引线的开尔文连接，彻底消除功率回路对驱动回路的负面影响，从而提高了多芯片均流的效果和功率模块在不同工况下的运行可靠性，同时设置备用电极106，以方便电路灵活改变，达到寄生参数最小的目的。

底部金属化层121可以用于直接散热，也可用于与散热器连接散热。本发明提出的封装结构可以使用的散热方式包括但不限于自然散热、强迫风冷散热、强迫液冷散热。

最后需要说明的是，本发明相对于现有技术具有以下优势：

1)本发明相比于传统金属封装及传统陶瓷封装，组装工序更少。

2)本发明中零部件的使用数量相比于传统封装更少。

3)本发明在高温下同样电路结构设计下，体积更小，重量更轻。

4)本发明中铜引片的使用，使该封装具有更大电流容量，可用于大功率模块的封装。

5)金属化陶瓷基板与铜引片具有优异的散热性能，减小了功率模块中散热器的体积，提高了功率密度。

6)本发明可通过螺丝、铜柱等进行模块外部连接，解决了高温下的电气连接困难问题。

7)本发明的驱动端子与功率端子分别引出，可以消除功率回路大电压、大电流对控制回路的不良影响。

8)本发明相比于传统封装结构，驱动回路与功率回路都更小，寄生参数电感更小，模块整体损耗更低。

9)本发明中引片通过通孔与模块相连，上表面高度与金属化芯腔齐平，且基板整体厚度仅有0.82mm，寄生电容更小。

10)本发明中，双面金属化可有效改善因金属和陶瓷热膨胀系数不同导致的高温弯曲。

11)本发明中的底部金属化层121可用于直接散热，也可用于加焊散热器。

12)本发明可根据电路设计灵活改变，半桥电路外的任何电子电路也同样适用。