一种碳化硅功率器件的封装结构及封装方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅功率器件的封装结构及封装方法，其封装结构包括直接覆铜陶瓷基板、碳化硅功率器件、PCB板、引线以及外壳，形成由碳化硅功率器件构成的半桥电路结构；本发明专利技术提供的这种封装结构及封装方法，有效地减少了功率回路的面积，在开关管换流过程中构成了电流流向相反的导体，利用互感抵消减小换流回路的寄生电感，有效地减小了开关过程中的过电压和振荡；驱动信号引线利用Kelvin连接方式，并且与功率引线垂直，起到有效地降低驱动回路和功率回路之间的耦合的作用，增强了驱动的稳定性；DBC板和PCB板全面焊接，增强了封装可靠性；功率端子和信号端子直接包含在PCB板中，减少额外端子带来的接触电阻和寄生电感，且兼具降低成本的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，更具体地，涉及一种碳化硅功率器件的封装结构及封装方法。
技术介绍
作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于传统硅器件难以胜任的场合。理论上碳化硅器件的开关频率可以达到上兆赫兹，但是现有商用器件的封装结构大大限制了碳化硅器件的高频应用，主要是由于在封装过程中基板、芯片、引脚互联引起的杂散电感比较大，例如TO247封装的每个引脚的电感大于4nH，而一般的器件封装模块也是通过功率接线端子引出电极，这些引线会增大回路的寄生电感；这些寄生电感导致器件在关断过程中承受较大的尖峰电压，严重时可能会损坏器件，因此必须设法降低碳化硅功率器件的寄生电感。对于如何降低碳化硅器件封装结构中的寄生电感这一问题，现有封装结构方法有键合线结构、平板结构、混合封装结构。其中，键合线结构简单、可靠性高，但是单面的封装尺寸大，寄生电感大；平板结构寄生参数小、散热性好，但是工艺复杂、可靠性差；混合封装结构是键合线结构与直接覆铜陶瓷基板技术的结合，兼具两者的优点，但是现有混合封装结构仍存在寄生参数较大、焊接面积小造成可靠性降低及需要外接端子与外部电路连接的问题，因此有必要进行封装结构及封装方法的优化。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碳化硅功率器件的封装结构及封装方法，其目的在于降低现有碳化硅功率器件封装结构的寄生电感。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碳化硅功率器件的封装结构，包括直接覆铜陶瓷(DBC)基板、贴装在DBC基板上的碳化硅功率器件、焊接在DBC基板上开有窗口的PCB板、外壳；碳化硅功率器件在DBC基板上的贴装位置与PCB板的窗口对应；碳化硅功率器件的电极与PCB板之间通过引线键合实现电气连接；外壳固定在PCB板上，具有可完全包围PCB板电路结构的底面积，外壳高度高于引线高度；外壳将DBC基板、PCB板电路结构与碳化硅功率器件罩起来，起保护封装结构的作用；在外壳与DBC基板、PCB板和碳化硅功率器件之间的空隙空间，灌注有绝缘保护胶；上述固定在DBC基板上的PCB板、通过PCB板的窗口贴装在DBC基板上与PCB板之间通过引线电连接的碳化硅功率器件构成的封装结构，其中碳化硅功率器件的换流回路所流经的路径大大减短，由此减小回路寄生电感。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，其DBC基板为三层结构，上、下层均为高导材料，中间层为绝缘传热材料；上层表面划分为互相绝缘的第一焊接面和第二焊接面；第一焊接面与第二焊接面之间的间距大于碳化硅功率器件最大工作电压对应的电气绝缘距离；碳化硅功率器件包括第一碳化硅MOS管、第二碳化硅MOS管、第一碳化硅SBD芯片、第二碳化硅SBD芯片；第一碳化硅MOS管与第一碳化硅SBD芯片贴装在第一焊接面，第二碳化硅MOS管芯片与第二碳化硅SBD芯片贴装在第二焊接面；第一碳化硅MOS管的漏极、第一碳化硅SBD芯片的阴极和PCB板底层第一焊盘焊接在第一焊接面；第一碳化硅MOS管的源极与PCB板顶层
第一焊盘通过第一键合线连接，第一碳化硅SBD芯片的阳极与PCB板顶层第二焊盘通过第二键合线连接；PCB板顶层第一焊盘和顶层第二焊盘经过孔与PCB板底层第二焊盘连接；第二碳化硅MOS管的漏极、第二碳化硅SBD芯片的阴极和PCB板底层第二焊盘焊接在第二焊接面；第二碳化硅MOS管的源极与PCB板顶层第三焊盘通过第三键合线连接，第二碳化硅SBD芯片的阳极与PCB顶层第四焊盘通过第四键合线连接；PCB板顶层第三焊盘和第四焊盘属于PCB板顶层铜箔；第一碳化硅MOS管的栅极与PCB顶层第五焊盘通过第五键合线连接；第一碳化硅MOS管的源极与PCB顶层第六焊盘通过第六键合线连接；第二碳化硅MOS管的栅极与PCB顶层第七焊盘通过第七键合线连接；第二碳化硅MOS管的源极与PCB顶层第八焊盘通过第八键合线连接。上述封装结构中，两个碳化硅MOS管串联且各自与一个碳化硅SBD芯片反并联，形成半桥电路结构的封装结构；PCB板底层第一焊盘作为封装结构的正电极，PCB板顶层铜箔作为封装结构的负电极；碳化硅功率器件与封装结构的正、负电极的布局使得换流路径上的导体呈平行结构；换流时，封装结构的正电极到第一碳化硅SBD芯片阴极的导线、第一碳化硅SBD芯片源极到第二碳化硅MOS管漏极的导线中的电流流向，与第二碳化硅MOS管源极到负电极的导线中的电流流向相反，起到利用互感抵消来减小寄生电感的作用，可有效减小功率器件在开关过程中的过电压和振荡。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，PCB板的顶层铜箔、底层第一焊盘、底层第二焊盘作为封装结构的功率端子，PCB板顶层的第五、第六、第七、第八焊盘作为封装结构的驱动信号端子；功率端子和驱动信号端子可直接用于与外部主电路或驱动电路相连；将该封装结构与外部电路连接时，不需要额外的功率端子，减少了额外功率端子带来的接触电阻
和寄生电感，并且降低了成本。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，连接驱动信号端子与碳化硅MOS管电极的键合线采用Kelvin连接方式；并且连接驱动信号端子与碳化硅MOS管栅极和源极的驱动信号线与连接碳化硅MOS管源极与PCB焊盘的功率线互相垂直，起到降低驱动回路与功率回路之间的耦合作用，可以减少功率回路对驱动回路的干扰，增强了驱动的稳定性。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，PCB板上设置的窗口尺寸与待封装碳化硅功率器件的尺寸匹配，使得加工过程中碳化硅功率器件可从所述窗口安放到DBC基板上；窗口个数与待封装碳化硅功率器件的个数相同。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，其DBC基板采用双面覆铜的陶瓷基板，上、下层均采用高导无氧铜，中间层采用氮化铝、氧化铝、氮化硅或氧化铍中的一种；中间层将碳化硅功率器件产生的热量传递到DBC底部散热面，并实现封装结构内部的电气部件对散热器的绝缘隔离。优选的，上述碳化硅功率器件的封装结构，其外壳上表面设有孔洞，用来注入绝缘凝胶，孔洞直径为2mm～4mm。为实现本专利技术目的，按照本专利技术的另一方面，提供了一种碳化硅功率器件的封装方法，包括如下步骤：(1)根据拟封装的碳化硅功率器件制备DBC基板和PCB板；所述PCB板上开有窗口；窗口个数与拟封装的碳化硅功率器件的个数相同，窗口尺寸与拟封装的碳化硅功率器件尺寸匹配；(2)将PCB板焊接在DBC基板上，并将碳化硅功率器件从PCB板的窗口焊接到DBC基板上；(3)采用引线键合工艺将碳化硅功率器件的电极与PCB板焊盘进行电连接；(4)将外壳固定在PCB板上；并将绝缘硅凝胶注入外壳中；静置使绝
缘硅凝胶固化。优选地，上述碳化硅功率器件的封装方法，在其步骤(2)之前，还包括清洗步骤：采用超声波清洗和化学清洗的方法清除DBC基板和PCB板表面的颗粒物和离子杂质。优选地，上述碳化硅功率器件的封装方法，其步骤(1)所制备得到的DBC基板的上层铜箔被刻蚀为两个矩形焊接面，这两个矩形焊接面之间的绝缘间距为1mm。优选地，上述碳化硅功率器件的封装方法，其步骤(3)通过引线将碳化硅功率器件与PCB板进行电连接的方法具体为：将引本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅功率器件的封装结构，其特征在于，包括DBC基板、贴装在DBC基板(1)上的碳化硅功率器件、焊接在DBC基板(1)上开有窗口的PCB板(3)和外壳(4)；所述碳化硅功率器件在DBC基板(1)上的贴装位置与PCB板(3)的窗口对应；碳化硅功率器件的电极与PCB板(3)之间通过引线键合实现电气连接；所述外壳(4)固定在PCB板(3)上，具有可完全包围PCB板(3)的底面积，外壳(4)的高度高于引线高度；所述外壳(4)将DBC基板(1)、PCB板(3)与碳化硅功率器件罩起来，起保护封装结构的作用；在外壳(4)与DBC基板(1)、PCB板(3)和碳化硅功率器件之间的空隙空间，灌注有绝缘保护胶。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅功率器件的封装结构，其特征在于，包括DBC基板、贴装在DBC基板(1)上的碳化硅功率器件、焊接在DBC基板(1)上开有窗口的PCB板(3)和外壳(4)；所述碳化硅功率器件在DBC基板(1)上的贴装位置与PCB板(3)的窗口对应；碳化硅功率器件的电极与PCB板(3)之间通过引线键合实现电气连接；所述外壳(4)固定在PCB板(3)上，具有可完全包围PCB板(3)的底面积，外壳(4)的高度高于引线高度；所述外壳(4)将DBC基板(1)、PCB板(3)与碳化硅功率器件罩起来，起保护封装结构的作用；在外壳(4)与DBC基板(1)、PCB板(3)和碳化硅功率器件之间的空隙空间，灌注有绝缘保护胶。2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述DBC基板(1)为三层结构；其中间层为绝缘传热材料，上、下层均为高导材料；所述上层的表面划分为互相绝缘的第一焊接面(9)和第二焊接面(10)；所述第一焊接面(9)与第二焊接面(10)之间的间距大于碳化硅功率器件最大工作电压对应的电气绝缘距离。3.如权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述碳化硅功率器件包括第一碳化硅MOS管(2)、第二碳化硅MOS管(18)、第一碳化硅SBD芯片(19)、第二碳化硅SBD芯片(20)；所述第一碳化硅MOS管(2)与第一碳化硅SBD芯片(19)贴装在第一焊接面(9)，所述第二碳化硅MOS管芯片(18)与第二碳化硅SBD芯片(20)贴装在第二焊接面(10)；所述第一碳化硅MOS管(2)的漏极、第一碳化硅SBD芯片(19)的阴极和PCB板底层第一焊盘(11)焊接在所述第一焊接面(9)；第一碳化
\t硅MOS管(2)的源极与PCB板顶层第一焊盘(25.1)通过第一键合线(21)连接，第一碳化硅SBD芯片(19)的阳极与PCB板顶层第二焊盘(25.2)通过第二键合线(22)连接；PCB板顶层第一焊盘(25.1)和顶层第二焊盘(25.2)经过孔与PCB板底层第二焊盘(12)连接；所述第二碳化硅MOS管(18)的漏极、第二碳化硅SBD芯片(20)的阴极和PCB板底层第二焊盘(12)焊接在所述第二焊接面(10)；第二碳化硅MOS管(18)的源极与PCB板顶层第三焊盘(26.1)通过第三键合线(23)连接，第二碳化硅SBD芯片(20)的阳极与PCB顶层第四焊盘(26.2)通过第四键合线(24)连接；第一碳化硅MOS管(2)的栅极与PCB顶层第五焊盘(28)通过第五键合线(32)连接；第一碳化硅MOS管(2)的源极与PCB顶层第六焊盘(29)通过第六键合线(33)连接；第二碳化硅MOS管(18)的栅极与PCB顶层第七焊盘(30)通过第七键合线(34)连接；第二碳化硅MOS管(18)的源极与PCB顶层第八焊盘(31)通过第八键合线(35)连接。4.如权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述PCB板的顶层铜箔(27)、底层第一焊盘(11)、底层第二焊盘(12)作为所述封装结构的功率端子；PCB板的顶层第五焊盘(28)、第六焊盘(29)、第七焊盘(30)、第八焊盘(31)作为所述封装结构的驱动信号端子；功率端子和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈材，黄志召，李宇雄，方建明，陈宇，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42