CN105140219B - 双向耐压碳化硅固态开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向耐压碳化硅固态开关，包括碳化硅芯片、转接板、定位板、键合层，碳化硅芯片包括碳化硅上芯片与碳化硅下芯片，转接板的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板的互联金属柱，定位板包括上定位板和下定位板，键合层包括上键合层和下键合层；碳化硅上芯片、上定位板通过上键合层与转接板上表面连接，碳化硅下芯片、下定位板通过下键合层与转接板下表面连接；转接板的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板的互联金属柱，通过互联金属柱实现电学互联；本发明可以在可靠、有效且工艺简单的前提下同时实现开关的有效关断与双向耐压，其体积与通常的碳化硅芯片相当，并采用常用的碳化硅器件与封装工艺，加工不存在挑战性的难题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术与功率半导体器件技术领域，具体是一种双向耐压碳化硅固态开关。
背景技术
耐高压、耐大电流、抗辐射、芯片化的半导体固态开关在航空航天、电力电子及功率半导体等领域都有很大的应用空间。传统硅基固态开关性能已经逼近材料极限，难以进一步提升。宽禁带半导体碳化硅材料的禁带宽度三倍于硅，击穿场强比硅高一个数量级以上，可以大幅提升固态开关的耐压、耐大电流、抗辐射能力以及小型化集成化水平。
已有的耐高压、耐大电流的碳化硅固态开关主要包括碳化硅晶闸管、碳化硅门极可关断晶闸管、碳化硅集成门极换流晶闸管与碳化硅绝缘栅双极型晶体管等。其中碳化硅晶闸管在导通电流存在时关断较为困难，而其它开关依赖于其中的非对称结构（包括缓冲层等）实现有效关断（即导通电流存在时的关断），使得仅需要门极关断电压或者脉冲电流，就可以有效关断。1997年11月出版的《IEEE Electron Device Letters》第18卷第11期杂志中“700-V Asymmetrical 4H-SiC Gate Turn-Off Thyristors (GTO's)”（P518-520）一文公开了基于N型重掺杂衬底的非对称结构碳化硅门极可关断晶闸管器件，其通过在衬底和漂移层之间增加缓冲层，实现了导通电流存在条件下开关的有效关断。公开的碳化硅门极可关断晶闸管、碳化硅集成门极换流晶闸管和碳化硅绝缘栅双极型晶体管等都采用了类似的非对称结构，均可实现有效关断。同时，非对称结构中缓冲层的存在，还可以改善漂移层的电场均匀性，从而可在耐压不变的情况下，减小漂移层的厚度，降低开态电阻，提升开关频率，降低器件成本。
由于N型重掺杂衬底及缓冲层等非对称结构的引入，使得已有的碳化硅固态开关的反向耐压要比正常工作时的正向耐压要低很多。美国专利US7391057和US7615801公布了基于低掺杂高纯半绝缘N型或者P型衬底的双向耐压碳化硅器件结构与制造方法，可以实现双向耐压的碳化硅器件，并且以双向耐压碳化硅晶闸管为例介绍了该方法，但是并未提及是否解决了碳化硅晶闸管在导通电流存在时难以有效关断的问题，同时其工艺过程需要在衬底的正反面进行同等复杂度的加工，还需要在碳化硅器件侧面（通常仅为数百um）通过等离子体刻蚀或者机械研磨/抛光的方法向内形成具有一定坡度的对称凹槽，其加工难度很大，且工艺特殊性较强，对固态开关的工艺难度、可靠性、可实现性等产生较大的影响。
因此，现有技术需要解决的技术问题是：提供一种可靠、有效且工艺简单的新型碳化硅固态开关，可以实现有效关断与双向耐压。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双向耐压碳化硅固态开关，可以在可靠、有效且工艺简单的前提下同时实现开关的有效关断与双向耐压。
本发明所采用的技术方案如下：
一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：包括碳化硅芯片、转接板、定位板、键合层，碳化硅芯片包括碳化硅上芯片与碳化硅下芯片，转接板的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板的互联金属柱，定位板包括上定位板和下定位板，键合层包括上键合层和下键合层；上定位板用于将碳化硅上芯片固定于上键合层上，下定位板用于将碳化硅下芯片固定于下键合层上；碳化硅上芯片、上定位板通过上键合层与转接板上表面连接，碳化硅下芯片、下定位板通过下键合层与转接板下表面连接；所述转接板的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板的互联金属柱，通过互联金属柱实现电学互联。
所述碳化硅上芯片的阴极通过上键合层与转接板连接；碳化硅上芯片可以是碳化硅门极可关断晶闸管芯片，或者是碳化硅集成门极换流晶闸管芯片，或者是碳化硅绝缘栅双极型晶体管芯片。
所述碳化硅下芯片的阳极通过下键合层与转接板连接在一起；碳化硅下芯片可以是碳化硅PiN二极管芯片，或者是碳化硅肖特基势垒二极管芯片，或者是碳化硅结势垒肖特基二极管芯片。
所述转接板的材料可以是陶瓷，或高纯绝缘碳化硅，或高纯氮化铝，或玻璃等材料，其厚度小于或等于1mm，转接板的中间设置有若干个纵向通孔，通孔中填充金属形成互联金属柱。
所述定位板中间设置有芯片定位孔，用于固定碳化硅芯片，芯片定位孔的横截面面积大于或等于相应固定的碳化硅芯片的横截面面积，芯片定位孔的厚度小于相应固定的碳化硅芯片的厚度，芯片定位孔的形状与相应固定的碳化硅芯片的外形一致，即上定位板的芯片定位孔的形状与上碳化硅芯片的形状一致，下定位板的芯片定位孔的形状与下碳化硅芯片的形状一致。
所述定位板的材料均采用陶瓷，或高纯绝缘碳化硅，或高纯氮化铝，或玻璃等材料。
所述转接板和定位板之间可以通过烧结、或沉积、或键合等方式连接在一起。
所述碳化硅芯片与定位板之间的空隙处设置有起填充作用的绝缘钝化层。
所述绝缘钝化层的材料可以采用聚酰亚胺，或氧化硅，或氮化硅等材料。
本发明的原理是：通过碳化硅上芯片实现正向耐压与有效关断功能，碳化硅下芯片实现反向耐压功能，碳化硅上芯片和碳化硅下芯片通过转接板、互联金属柱、焊接键合层实现极低阻抗、感抗、容抗的电学互联，串联在一起，从而实现双向耐压与有效关断的固态开关。
与现有技术相比，本发明充分综合了已有的碳化硅芯片的优点（即碳化硅门极可关断晶闸管芯片或碳化硅集成门极换流晶闸管芯片或碳化硅绝缘栅双极型晶体管芯片的正向耐压、有效关断等优点，碳化硅PiN二极管芯片或碳化硅肖特基势垒二极管芯片或碳化硅结势垒肖特基二极管芯片单向耐压等优点），实现了碳化硅固态开关的双向耐压与有效关断；固态开关的体积与碳化硅芯片相当；固态开关性能指标的实现分散到碳化硅上下芯片、转接板等组成上，设计自由度更大；采用常用的碳化硅器件与封装工艺，加工不存在挑战性的难题，可以保证可靠性，可实现性更强。
附图说明
图1是本发明双向耐压碳化硅固态开关剖视图；
图2为本发明双向耐压碳化硅固态开关顶视图。
其中，附图标记为：11-碳化硅上芯片，12-碳化硅下芯片，2-转接板，31-上定位板，32-下定位板，4-互联金属柱，51-上键合层，52-下键合层，6-绝缘钝化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种双向耐压碳化硅固态开关，包括碳化硅芯片、转接板2、定位板、键合层与绝缘钝化层6，其中：碳化硅芯片包括碳化硅上芯片11与碳化硅下芯片12，转接板2的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板2的互联金属柱4，定位板包括上定位板31和下定位板32，键合层包括上键合层51和下键合层52；上定位板31用于将碳化硅上芯片11固定于上键合层51上，下定位板32用于将碳化硅下芯片12固定于下键合层52上；碳化硅上芯片11、上定位板31通过上键合层51与转接板2上表面连接，碳化硅下芯片12、下定位板32通过下键合层52与转接板2下表面连接；所述转接板2的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板2的互联金属柱4，通过互联金属柱4实现电学互联；所述绝缘钝化层6填充碳化硅芯片与定位板之间的空隙。
所述碳化硅上芯片11是碳化硅门极可关断晶闸管芯片，其正向耐压为12000V，导通电阻为50～70mΩ,芯片面积为4mm×4mm，导通电流存在时关断门极电流最小为500mA，其阴极通过上键合层51与转接板2连接在一起。
所述碳化硅下芯片12是碳化硅结势垒肖特基二极管芯片，其耐压为12000V，芯片面积为4mm×4mm，其阳极通过下键合层52与转接板2连接在一起。
所述转接板2的材料是陶瓷，其厚度为200um。
所述的上下定位板31和32的材料是陶瓷，其中间含有芯片定位孔，其形状与上下碳化硅芯片11和12的形状一致，如图2所示，其厚度为200um。
所述转接板2和上定位板31、下定位板32均是通过烧结的方式连接在一起。
所述绝缘钝化层6的材料是聚酰亚胺。
本实施例中，双向耐压碳化硅固态开关的正向反向耐压均为12000V，且可以实现有效关断，门极关断电流为500mA，开关大小不超过5mm×5mm×2mm。
实施例2
本实施例基于实施例1的组成结构，在材料上有所区别：
所述碳化硅上芯片11是碳化硅P型绝缘栅双极型晶体管芯片，其耐压为5000V，导通电阻为200～300mΩ,芯片面积为2mm×2mm，其关断电压不小于-15V；
所述碳化硅下芯片12是碳化硅肖特基势垒二极管芯片，其耐压为5000V，芯片面积为2mm×2mm；所述的转接板2的厚度为150um；所述的上下定位板31和32的厚度为150um。
本实施例的双向耐压碳化硅固态开关的正向反向耐压均为5000V，且可以实现有效关断，门极关断电压不小于-15V，开关大小不超过3mm×3mm×1.5mm。
Claims (9)
1.一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：包括碳化硅芯片、转接板（2）、定位板、键合层，碳化硅芯片包括碳化硅上芯片（11）与碳化硅下芯片（12），转接板（2）的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板（2）的互联金属柱（4），定位板包括上定位板（31）和下定位板（32），键合层包括上键合层（51）和下键合层（52）；上定位板（31）用于将碳化硅上芯片（11）固定于上键合层（51）上，下定位板（32）用于将碳化硅下芯片（12）固定于下键合层（52）上；碳化硅上芯片（11）、上定位板（31）通过上键合层（51）与转接板（2）上表面连接，碳化硅下芯片（12）、下定位板（32）通过下键合层（52）与转接板（2）下表面连接；所述转接板（2）的中间内嵌有若干个纵向贯穿转接板（2）的互联金属柱（4），通过互联金属柱（4）实现电学互联。
2.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述碳化硅上芯片（11）的阴极通过上键合层（51）与转接板（2）连接；碳化硅上芯片（11）是碳化硅门极可关断晶闸管芯片，或者是碳化硅集成门极换流晶闸管芯片，或者是碳化硅绝缘栅双极型晶体管芯片。
3.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述碳化硅下芯片（12）的阳极通过下键合层（52）与转接板（2）连接在一起；碳化硅下芯片（12）是碳化硅PiN二极管芯片，或者是碳化硅肖特基势垒二极管芯片，或者是碳化硅结势垒肖特基二极管芯片。
4.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述转接板（2）的材料是陶瓷，或高纯绝缘碳化硅，或高纯氮化铝，或玻璃；转接板（2）的厚度小于或等于1mm，转接板（2）的中间设置有若干个纵向通孔，通孔中填充金属形成互联金属柱（4）。
5.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述定位板中间设置有芯片定位孔，用于固定碳化硅芯片，芯片定位孔的横截面面积大于或等于相应固定的碳化硅芯片的横截面面积，芯片定位孔的厚度小于相应固定的碳化硅芯片的厚度，芯片定位孔的形状与相应固定的碳化硅芯片的外形一致，即上定位板（31）的芯片定位孔的形状与上碳化硅芯片的形状一致，下定位板（32）的芯片定位孔的形状与下碳化硅芯片的形状一致。
6.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述定位板的材料均采用陶瓷，或高纯绝缘碳化硅，或高纯氮化铝，或玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述转接板（2）和定位板之间通过烧结、或沉积、或键合方式连接在一起。
8.根据权利要求1所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述碳化硅芯片与定位板之间的空隙处设置有起填充作用的绝缘钝化层（6）。
9.根据权利要求8所述的一种双向耐压碳化硅固态开关，其特征在于：所述绝缘钝化层（6）的材料采用聚酰亚胺，或氧化硅，或氮化硅。
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