一种低寄生电感高散热性能的SiC模块及制作工艺制造技术

本发明专利技术涉及电力电子器件封装集成技术领域，尤其涉及一种低寄生电感高散热性能的SiC模块及制作工艺，其SiC模块包括外壳以及自下而上叠放的金属底板、DBC板、PCB驱动板和碳化硅元件，所述金属底板、DBC板、PCB驱动板和碳化硅元件均设置于外壳内部；所述DBC板包括两个铜层和AlN层，所述AlN层位于两个铜层之间，所述碳化硅元件、铜层和PCB驱动板之间电气连接，所述DBC板上设有多个功率端子。本发明专利技术通过调整模块整体的布局可以极大减小模块整体的寄生电感，而通过替换DBC板中的陶瓷材料，增强了模块整体的散热能力。模块整体的散热能力。模块整体的散热能力。

【技术实现步骤摘要】
一种低寄生电感高散热性能的SiC模块及制作工艺


[0001]本专利技术涉及电力电子器件封装集成
，具体为一种低寄生电感高散热性能的SiC模块及制作工艺。

技术介绍

[0002]以碳化硅(Silicon Carbon，SiC)器件为主的第三代功率半导体器件发展迅猛。相较于传统的硅器件，SiC器件具有导通电阻小、寄生电容小、最大开关频率高以及最大工作结温高等诸多优良的特性。因此，SiC器件在电动汽车的充电桩和电机驱动系统、光伏逆变器、多电飞机、船舶电源系统以及电网中直流断路器等诸多的应用场合有着巨大的潜力和广阔的发展前景。
[0003]在SiC器件的生产制造过程中，为了提高芯片的良率，单个SiC器件的面积通常较小，这进一步导致单个SiC器件的电流容量较小。为了进一步提升SiC器件的电流容量，通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。目前，SiC器件的封装集成技术仍然沿用传统Si器件的封装技术而因此带来了一些问题。
[0004]传统的62mm封装形式，键合线工艺引入的寄生电感较大，导致SiC器件在高速开关时的电压过冲和振荡极其严重；传统衬底，即覆铜陶瓷基板(Direct Bond Copper，DBC)中的陶瓷层使用Al2O3材料，其导热性低，这使SiC器件在高频工况下由于散热性能差而发热严重，因此所使用的散热器通常体积较大，目前市面上所使用的铝散热器尺寸为111mm*63mm*50mm。上述原因使得SiC器件开关速度快，开关频率高的优势无法得到真正的发挥，已经成为制约整个产业发展的技术瓶颈。
[0005]目前针对SiC模块的高寄生电感问题已经提出了一些优化设计的方法策略，包括主功率回路的布局优化、驱动回路的布局优化以及调整端子结构等方式。但改善后的模块的寄生电感仍在10nH
‑
20nH之间，还有待进一步改善。另外，目前针对SiC模块的散热问题也已经提出了一些优化设计的方法策略，包括使用双面散热的封装结构、用烧结银替代传统焊料等方式。但是这些方法不仅工艺流程更加复杂，而且成本更高，不适合推广应用。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种低寄生电感高散热性能的SiC模块及制作工艺。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种低寄生电感高散热性能的SiC模块，包括外壳以及自下而上叠放的金属底板、DBC板、PCB驱动板和碳化硅元件，所述金属底板、DBC板、PCB驱动板和碳化硅元件均设置于外壳内部；所述DBC板包括两个铜层和AlN层，所述AlN层位于两个铜层之间，所述碳化硅元件、铜层和PCB驱动板之间电气连接，所述DBC板上设有多个功率端子。
[0009]优选的，所述金属底板的边缘处还设有多个定位块，多个所述定位块在金属底板上形成安装腔，所述DBC板位于安装腔中；所述DBC板的厚度等于定位块的厚度。
[0010]优选的，所述碳化硅元件、铜层和PCB驱动板之间通过键合线实现电气连接。
[0011]优选的，所述PCB驱动板上设有外上桥臂栅极、内上桥臂栅极、外上桥臂源极、内上桥臂源极、外下桥臂栅极、内下桥臂栅极、外下桥臂源极和内下桥臂源极，所述碳化硅元件包括多个碳化硅MOSFET和多个碳化硅二极管，所述碳化硅MOSFET和碳化硅二极管交替间隔设置；碳化硅MOSFET的源极、碳化硅二极管3阳极与铜层电气连接。
[0012]优选的，所述碳化硅MOSFET的栅极与内上桥臂栅极和内下桥臂栅极连接；所述碳化硅MOSFET的开尔文源极与内上桥臂源极和内下桥臂源极电气连接。
[0013]优选的，所述PCB驱动板上还设有多个排针，所述外上桥臂栅极、外上桥臂源极、外下桥臂栅极、外下桥臂源极均与排针连接，所述排针用于引出驱动极。
[0014]一种低寄生电感高散热性能的SiC模块制作工艺，包括以下步骤：
[0015]S1，将DBC板与碳化硅元件利用第一焊料连接，形成第一组合体；
[0016]S2，将第一组合体露出DBC板的一侧与金属底板利用第一焊料连接，形成第二组合体；
[0017]S3，将碳化硅元件、DBC板的铜层和PCB驱动板连接；
[0018]S4，将功率端子与DBC板的铜层利用第二焊料进行连接；
[0019]S5，将金属底板与外壳连接；
[0020]S6，灌胶。
[0021]优选的，所述第一焊料的融化点高于第二焊料的融化点。
[0022]优选的，在S3中，所述碳化硅元件、铜层和PCB驱动板的连接采用键合线工艺。
[0023]优选的，在S5中，所述金属底板与外壳连接后，利用胶水填充金属底板与外壳之间的缝隙。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]本专利技术采用的低寄生电感高散热性能的SiC模块通过替换DBC中的陶瓷材料，增强了模块整体的散热能力，Al2O3陶瓷材料的导热率为10W/m
·
K，AlN材料的导热率为170W/m
·
k，可见使用新型的AlN材料，功率模块的散热性能会有明显提高，其所用散热器的体积也会明显减小。
[0026]其次，使用PCB驱动板构造驱动回路并使之与功率回路垂直，以减小驱动回路对功率回路的影响。
[0027]另外，由于功率模块的寄生电感与电流路径的宽度呈反相关，而DBC的铜层和功率端子是电流路径的重要组成部分，本专利技术中通过增加功率端子与DBC接触面的宽度减小模块整体的寄生电感。
[0028]进一步的，DBC板的厚度等于定位块的厚度是为了保证DBC板与PCB驱动板的贴合，便于进行DBC板与PCB驱动板的连接。
[0029]进一步的，利用多个排针引出驱动级，以适应DBC板的设置。
[0030]本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC模块制作工艺，在降低寄生电感，提高散热能力的同时兼容传统的键合线工艺和焊接工艺，容易制作且不需要额外的成本，适合大规模的市场应用。
[0031]进一步的，第一焊料的融化点高于第二焊料的融化点，是为了减少二者焊接时的影响。
附图说明
[0032]图1为传统SiC模块的内部结构图；
[0033]图2为本专利技术的总体结构视图；
[0034]图3为本专利技术的内部结构视图；
[0035]图4为本专利技术DBC板布局；
[0036]图5为本专利技术DBC板的侧视图；
[0037]图6为本专利技术中金属底板与定位块的装配示意图；
[0038]图7为本专利技术PCB驱动板示意图；
[0039]图8为本专利技术功率端子结构示意图；
[0040]图9为本专利技术外壳结构示意图。
[0041]图中，1、键合线；2、碳化硅MOSFET；3、碳化硅二极管；4、定位块；5、金属底板；6、螺纹孔；7、外上桥臂栅极；8、内上桥臂栅极；9、外上桥臂源极；10、内上桥臂源极；11、外下桥臂栅极；12、内下桥臂栅极；13、外下桥臂源极；14、内下桥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低寄生电感高散热性能的SiC模块，其特征在于，包括外壳(17)以及自下而上叠放的金属底板(5)、DBC板(18)、PCB驱动板(19)和碳化硅元件，所述金属底板(5)、DBC板(18)、PCB驱动板(19)和碳化硅元件均设置于外壳(17)内部；所述DBC板(18)包括两个铜层(181)和AlN层(182)，所述AlN层(182)位于两个铜层(181)之间，所述碳化硅元件、铜层(181)和PCB驱动板(19)之间电气连接，所述DBC板(18)上设有多个功率端子(16)。2.根据权利要求1所述的低寄生电感高散热性能的SiC模块，其特征在于，所述金属底板(5)的边缘处还设有多个定位块(4)，多个所述定位块(4)在金属底板(5)上形成安装腔，所述DBC板(18)位于安装腔中；所述DBC板(18)的厚度等于定位块(4)的厚度。3.根据权利要求1所述的低寄生电感高散热性能的SiC模块，其特征在于，所述碳化硅元件、铜层(181)和PCB驱动板(19)之间通过键合线(1)实现电气连接。4.根据权利要求3所述的低寄生电感高散热性能的SiC模块，其特征在于，所述碳化硅元件包括多个碳化硅MOSFET(2)和多个碳化硅二极管(3)，所述碳化硅MOSFET(2)和碳化硅二极管(3)交替间隔设置；碳化硅MOSFET(2)的源极、碳化硅二极管(3)阳极与铜层(181)电气连接。5.根据权利要求4所述的低寄生电感高散热性能的SiC模块，其特征在于，所述PCB驱动板(19)上设有外上桥臂栅极(7)、内上桥臂栅极(8)、外上桥臂源极(9)、内上桥臂源极(10)、外下桥臂栅极(11)、内下桥臂栅极(12)、外下桥臂源极(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，吴世杰，赵成，温浚铎，杨俊辉，聂延，甘永梅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：