一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块制造技术

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双面冷却模块，包括金属基板、功率端子正极、功率端子负极、交流端子、上半桥碳化硅MOS芯片、下半桥碳化硅MOS芯片、底层芯片、作为交流端子引出层的顶层DBC基板、作为负极端子引出层的中间层DBC基板、作为正极端子引出层的底层DBC基板和功率回路金属柱；上半桥碳化硅MOS芯片通过功率回路金属柱与顶层DBC基板的铜层连接；下半桥碳化硅MOS芯片通过功率回路金属柱与底层DBC基板的铜层连接。本发明专利技术采用多层堆叠双面结构，使得换流路径为垂直换流结构，不仅减小了换流回路面积，而且通过各层相反的电流流向产生了不错的负互感抵消，优化模块换流路径。路径。路径。

【技术实现步骤摘要】
一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块


[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双面冷却模块。

技术介绍

[0002]近年来，以碳化硅(SiC)为代表的宽带隙(WBG)半导体器件发展迅速，与传统的硅器件相比，SiC拥有更高的击穿电场强度(4
‑
20倍)、更大的禁带宽度(3倍)、更低的本征载流子浓度(10
‑
35个数量级)、更高的热导率(3
‑
13倍)和更大的饱和电子漂移速度(2
‑
2.5倍)等诸多优良的特性。不仅如此，由于硅器件受限于6.5kV阻断电压和175℃的工作温度，并且开关速度较慢，在很多场合应用受限。因此，SiC功率器件有着更为巨大的潜力和广阔的发展前景，相比硅器件更适合应用在电动汽车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场合。
[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。例如传统的键合线结构引入的寄生电感较大，而且功率回路往往限制在平面回路，这导致SiC器件在高速开关时的电压过冲和振荡极其严重；再如传统的单面散热结构，芯片只能通过一侧散热，这使SiC器件在高频工况下常因为散热能力有限而发热严重。上述原因使得SiC器件开关速度快，开关损耗小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。
[0004]目前针对SiC模块的高寄生电感问题已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，但由于仍未脱离键合线结构，因此改善后的模块寄生电感减少有限，仍在10nH
‑
20nH之间。另外，针对SiC模块的散热问题也已提出了一些解决方法，例如采用烧结银替代传统焊料、使用热性能更优异的基板、灌封材料、实用双面冷却散热结构等方式。其中使用更好热性能材料的方法效果最佳，但其往往较大程度依赖材料本身的特性，而功能全面的材料很难找到，因此并未得到广泛应用。相比之下，取消键合线结构的方法对于热失效、焊接失效等问题都有明显改善，而且易于实施。

技术实现思路

[0005]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双面冷却模块，以降低模块寄生电感，提高散热能力，并且对新材料或者复杂的工艺制作方法没有额外要求。
[0006]一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块，包括金属基板、功率端子正极、功率端子负极、交流端子、上半桥碳化硅MOS芯片、下半桥碳化硅MOS芯片、底层芯片、作为交流端子引出层的顶层DBC基板、中间层DBC基板、作为半桥模块中上半桥的底层DBC基板和功
率回路金属柱；顶层DBC基板、中间层DBC基板和底层DBC基板表面设有铜层；
[0007]功率正端子与底层DBC基板的上表面铜层相连；交流端子与顶层DBC基板连接；
[0008]上半桥碳化硅MOS芯片固定于底层DBC基板上，并配有反并联SBD二极管，上半桥碳化硅MOS芯片的源极端通过功率回路金属柱与顶层DBC基板的铜层连接；
[0009]下半桥碳化硅MOS芯片固定于顶层DBC基板上，并配有反并联SBD二极管，下半桥碳化硅MOS芯片的源极端通过功率回路金属柱与底层DBC基板的铜层连接；
[0010]功率负端子与中间层DBC基板的上表面铜层相连，中间层DBC基板与底层DBC基板之间设有实现电流通路的通孔结构。
[0011]优选的，上半桥碳化硅MOS芯片和下半桥碳化硅MOS芯片均包括四个并联的碳化硅MOS芯片。
[0012]优选的，每个半桥的四个并联碳化硅MOS芯片均与两个反并联SBD二极管并联。
[0013]优选的，功率端子正极和功率端子负极位于同一侧。
[0014]优选的，交流端子与功率端子正极的朝向相反。
[0015]优选的，顶层DBC基板、中间层DBC基板和底层DBC基板均采用Cu
‑
Al2O3‑
Cu结构的材料制作。
[0016]优选的，交流端子、功率端子正极、功率端子负极和金属基板均采用紫铜材料制作。
[0017]优选的，功率回路金属柱采用金属铜或者金属钼制备。
[0018]优选的，该模块的内部空隙采用硅凝胶进行灌封。
[0019]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0020]本专利技术采用多层堆叠双面结构，一共分为三层，每层均为Cu
‑
Al
2 O3‑
Cu的DBC基板，最底层为半桥模块的上半桥，与正极端子相连；底层芯片通过金属柱与最顶层互连，最顶层为交流端子引出层，为实现双面散热结构，将下半桥碳化硅MOS芯片焊接在最顶层相应位置，并通过金属柱与最底层互连；而中间层与负极端子相连，利用通孔结构建立从底层流向中间层的电流通路，实现完整的回路。其中最底层与中间层为堆叠结构，有通孔作为连接通路，考虑到绝缘，可靠性等要求，最顶层与中间层之间留有一定的间距。
[0021]本专利技术通过多层堆叠结构使得换流路径为垂直换流结构，不仅减小了换流回路面积，而且通过各层相反的电流流向产生了不错的负互感抵消，优化模块换流路径。
[0022]本专利技术集成了四芯片并联，每两个芯片搭配一个反并联SBD，将上半桥碳化硅MOS芯片焊接在最底层DBC基板，通过金属柱连接代替键合线结构使得芯片上表面与最顶层DBC铜层直接相连，将下半桥碳化硅MOS芯片焊接在最顶层DBC基板，并通过金属柱与最底层DBC基板铜层相连，采用金属柱结构以增加模块可靠性，同时还使得上下两层基板均可散热，大大提高了模块的散热性能。
附图说明
[0023]图1为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块的总体结构示意图；
[0024]图2为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块的内部结构分解图；
[0025]图3为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块中顶层DBC基板布局；
[0026]图4为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块中中间层DBC基板布局；
[0027]图5为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块中底层DBC基板布局；
[0028]图6为本专利技术一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块中金属基板示意图。
[0029]附图标记为：1、功率端子正极；2、功率端子负极；3、交流端子；4、碳化硅MOS芯片；5、反并联SBD二极管；6、功率回路金属柱；7、驱动回路金属柱；8、通孔结构；9、金属基板。
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本发本文档来自技高网...

【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双面冷却模块，其特征在于，包括金属基板(9)、功率端子正极(1)、功率端子负极(2)、交流端子(3)、上半桥碳化硅MOS芯片(4)、下半桥碳化硅MOS芯片(4)、底层芯片、作为交流端子(3)引出层的顶层DBC基板、中间层DBC基板、作为半桥模块中上半桥的底层DBC基板和功率回路金属柱(6)；顶层DBC基板、中间层DBC基板和底层DBC基板表面设有铜层；功率正端子与底层DBC基板的上表面铜层相连；交流端子(3)与顶层DBC基板连接；上半桥碳化硅MOS芯片(4)固定于底层DBC基板上，并配有反并联SBD二极管(5)，上半桥碳化硅MOS芯片(4)的源极端通过功率回路金属柱(6)与顶层DBC基板的铜层连接；下半桥碳化硅MOS芯片(4)固定于顶层DBC基板上，并配有反并联SBD二极管(5)，下半桥碳化硅MOS芯片(4)的源极端通过功率回路金属柱(6)与底层DBC基板的铜层连接；功率负端子与中间层DBC基板的上表面铜层相连，中间层DBC基板与底层DBC基板之间设有实现电流通路的通孔结构(8)。2.根据权利要求1所述的低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块，其特征在于，上半桥碳化硅MOS芯片(4)和下半桥碳化硅MOS芯片(4)均包括四个并联的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，龚泓舟，李磊，聂延，袁天舒，马定坤，马良俊，甘永梅，张虹，贾立新，高凯，
申请(专利权)人：国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：