一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法，铜底板上横向设置有多块DBC，多块DBC构成9个双向开关，DBC的功率回路通过功率端子引出，DBC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，9个双向开关连接构成矩阵变换器的拓扑结构；本发明专利技术碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块具有体积小，寄生电感小，功率密度大的优点。功率密度大的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块及其制备方法


[0001]本专利技术属于功率器件封装
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]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。
[0008]具体的，本专利技术的特点还在于：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。
[0009]具体的，本专利技术的特点还在于：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。
[0010]具体的，本专利技术的特点还在于：驱动端子为PIN针，包括24个，功率端子为铜片，包括6个。
[0011]具体的，本专利技术的特点还在于：第一PCB板和第二PCB板之间使用绝缘胶隔离连接。
[0012]具体的，本专利技术的特点还在于：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。
[0013]具体的，本专利技术的特点还在于：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。
[0014]本专利技术的另一技术方案是，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：
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]具体的，本专利技术的特点还在于：步骤S2中，真空烧结的温度为25～300℃，时间为1～2h。
[0022]具体的，本专利技术的特点还在于：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。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0024]本专利技术一种碳化硅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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]进一步的，对模块进行塑封灌胶，保证模块的绝缘强度。
[0034]综上所述，本专利技术的模块具有体积小，寄生电感小，功率密度大的优点。
[0035]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0036]图1为单个DBC的正面示意图；
[0037]图2为单个DBC的反面示意图；
[0038]图3为3片DBC在铜板上排列的正面示意图；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，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(13)和第二PCB板(14)，第一PCB板(13)和第二PCB板(14)通过引线键合的方式引出驱动端子(11)，DBC基板包括多块，每块DBC基板的功率回路通过功率端子(12)引出，所有DBC基板上设置的碳化硅MOSFET芯片(6)的漏极连接构成9个双向开关。2.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，每个双向开关包括4片碳化硅MOSFET芯片(6)，4片碳化硅MOSFET芯片(6)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(15)。3.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，DBC基板包括三块，每块DBC基板的正面设置有第一铜层(1)，每块DBC基板的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；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)。4.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，驱动端子(11)为PIN针，包括24个，功率端子(12)为铜片，包括6个。5.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，第一PCB板(13)和第二PCB板(14)之间使用绝缘胶隔离连接。6.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，其特征在于，驱动端子(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，侯震鹏，孙立杰，赵成，裴云庆，杨旭，甘永梅，张虹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：