CN108682659B - 一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构 - Google Patents

一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，包括碳化硅功率器件、金属正电极、金属负电极、封装基板、封装外壳及外部引脚，上、下表面分别覆盖有金属正电极及金属负电极的碳化硅功率器件通过封装基板设置封装外壳内，金属负电极通过导热金属层与封装基板连接，导热金属层包括由粘结层连接的第一导热金属层和第二导热金属层，粘结层上设有多个导热孔，封装基板通过粘合层粘结有散热器，封装外壳包括壳体及上盖板，壳体的下端设有插口，壳体内壁上开有锯齿形凹槽；本发明的该封装结构简单，紧凑，有效增强器件的使用寿命，稳定性提高，降低成本，简化工艺。

Description

一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装 结构
技术领域
本发明属于半导体器件封装领域，具体涉及一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构。
背景技术
当前，在日益严峻的环境问题和能源消耗的压力之下，绿色能源领域正成为世界各国的发展目标，由此也带动了整个功率半导体行业的发展；
功率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路，器件功率和器件功率密度会伴随着电子器件性能提升而增加，使得电子器件在性能提升的同时面临着散热方面的严重挑战，碳化硅作为一种新兴的第三代半导体材料，具有优良的物理和电学特性，对于碳化硅高温器件和集成电路来说，其工作温度高，稳定工作的温度范围大，在高温条件下具有相当的优越性；
商业化公司提供的碳化硅器件的结温一般不超过175℃，更近一步的提高工作温度需要大力发展其高温封装结构和材料，基于碳化硅材料的功率器件能正常工作在高于500℃，但是，今天为硅器件设计的封装技术有很大温度限制，发展这种高性能封装，必须从封装结构及其材料入手进行研究，以满足碳化硅器件在高温下工作的需求，分离功率器件在工业界具有很广的商用可选封装，封装的选取取决于几个因素，包括裸芯片器件的尺寸、最大的功耗和电路的应用，一个传统的分立功率器件封装技术常常采用铅或无铅焊接合金把器件的一个端面贴合在热沉衬底上，另外的端面与铝线或金线键合在一起，因为工艺简单，成本低的优势，这种封装技术在目前的功率电子封装中还是占主导地位；
器件封装的热性能取决于器件和封装材料的几何形式与体热导率，选择使用的粘结层材料的热导率远低于器件本身和散热基板，这往往削弱了碳化硅相比于传统半导体器件在良好热特性方面的优势，对于高温领域的应用，其影响往往成为扩大芯片封装热阻、导致器件热退化甚至热损坏的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，该封装结构简单，紧凑，有效增强器件的使用寿命，稳定性提高，降低成本，简化工艺。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，包括碳化硅功率器件、金属正电极、金属负电极、封装基板、封装外壳及外部引脚，碳化硅功率器件设置于金属正电极及金属负电极之间，上、下表面分别覆盖有金属正电极及金属负电极的碳化硅功率器件通过封装基板设置封装外壳内，其中：
金属负电极通过导热金属层与封装基板连接，导热金属层包括由粘结层连接的第一导热金属层和第二导热金属层，粘结层上设有多个导热孔，封装基板通过粘合层粘结有散热器；
封装外壳包括壳体及上盖板，壳体的下端设有插口，壳体内壁上开有锯齿形凹槽；散热器与壳体相适配，散热器一端穿过壳体上的插口伸出壳体外；
封装外壳上涂覆一层防护层，防护层按质量份数计包括以下组分：
防护层由涂覆在封装外壳上的防护涂料形成，防护涂料按质量份数计包括以下组分：
聚氯乙烯：15-18份，苯乙烯系弹性体：10-13份，聚苯醚树脂粉：20-30份，水25-30份，聚烯烃弹性体：10-40份，石墨烯/聚吡咯聚合物5-10份，耐火填料5-10份，玻璃鳞片：1-3份，固化剂5-10份，硅烷偶联剂：4-6份，分散剂1-2份，改性蛭石粉末：1-3份，硅油：4-7份，增塑剂：3-5份，阻燃剂：20-30份，协同阻燃剂：1-3份，润滑剂：4-7份；
防护层的制备具体如下：
（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗1-3次，自然晾干；
（2）向高速分散机的搅拌罐中100-150r/min低速条件下加入聚氯乙烯、水、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及聚苯醚树脂粉，搅拌20-30min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、玻璃鳞片、分散剂、改性蛭石粉末继续搅拌，待搅拌均匀后加入耐火填料、润滑剂及增塑剂，提升转速至300-400r/min，搅拌10-20min，然后调节转速至300-330r/min，搅拌10-15min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、硅油、阻燃剂及协同阻燃剂制得防腐层的涂料；
（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用口径在1.0-1.2mm的喷枪进行喷涂在封装外壳外表面，雾化压力控制在100-220kPa，温度为15～25℃，相对湿度≤50%，干燥固化得到防护层。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，防护涂料中：苯乙烯系弹性体为丁二烯-苯乙烯共聚物SBS或氢化丁二烯-苯乙烯共聚物SEBS；聚烯烃弹性体为采用乙烯或丁烯；固化剂为甲基三丁胴肟基硅烷；分散机为EFKA5010；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚壬二酸酐或聚氨酯；耐火填料为白炭黑、云母、碳酸钙、硅灰石、高岭土、滑石粉、玻璃粉或蒙脱土中得一种；协同阻燃剂为硼酸锌或红磷。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，封装基板的四周为锯齿形结构，封装基板与壳体相适配。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，金属正电极材料为Al/Ti、粘结层为锡铅银焊料，金属负电极材料为Ni，导热孔材料为高热导率石墨，第一导热金属层及第二导热金属层为金属铜。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，封装基板为碳化硅陶瓷材料或氧化铝陶瓷材料；粘合层为导热硅胶材料。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，封装外壳按质量份数计包括以下组分：
2,2’-[（1-甲基亚乙基）双（4，1-亚苯基甲醛）]双环氧乙烷和亚甲基-双（1,3-苯二酚）-四缩水甘油醚：50-60份，亚麻酸酯：30-40份，邻位含氮酚醛树脂：20-30份，三聚氰胺甲醛-双酚A酚醛树脂：25-27份，聚丁二烯树脂：10-13份，氯丁二烯橡胶：10-15份，石蜡：10-15份，催化剂：1-3份，增稠剂：1-2份，固化促进剂：0.5-1.0份，固化剂：5-7份，防老剂4020：1-2份，硅烷偶联剂：4-6份，阻燃剂：5-7份，炭黑：1-3份，强化剂：7-9份，抗氧剂：1-3份，分散剂：2-4份，复合稀土：0.1-0.3份；
复合稀土按质量百分比计包括以下组分：
Y：13-15%，Sc：18-20%，Gd：8-10%，Sm：9-11%，余量为La，以上各组分之和为100%。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，邻位含氮酚醛树脂按质量份数计包括以下组分：甲醛：20-30份，苯酚：40-50份，三聚氰胺：10-15份，氧化镁：7-9份，多羟甲基三聚氰胺：15-20份。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，催化剂为氢氧化钠；增稠剂为为膨润土、凹凸棒土或硅酸铝；固化促进剂为三苯基膦；固化剂为2-甲基咪唑、六次甲基四胺、2-乙基-4甲基咪唑中的一种；强化剂为亚硝酸钠、氯化镁、硫酸钠中的任意两种组合；抗氧剂为芳香胺类抗氧剂；分散剂为聚乙二醇200、硬质酰胺或三硬脂酸甘油酯中的一种；阻燃剂为9，10-二氢-9氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。
前述用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构中，该封装的制备工艺具体如下：
（1）在碳化硅功率器件的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极和金属负电极；
（2）分别在碳化硅功率器件的金属负电极和封装基板上形成粘结层上层第一导热金属层和粘结层下层第二导热金属层，制作金属层时采用电镀法；
（3）在步骤（2）形成的粘结层上层第一导热金属层上制造石墨薄膜，采用含氢等离子体对石墨进行各向异性刻蚀出导热孔；
（4）将步骤 （3） 中形成的器件通过形成的粘结层采用焊接粘贴法贴装在粘结层下层第二导热金属层上；
（5）使用粘合剂粘合散热器，在散热器与封装基板之间形成粘合层；
（6）步骤（5）形成的器件安装在壳体内，散热器穿过壳体内的插口伸出壳体，同时封装基板安装在壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上盖板，通过螺栓锁紧完成封装。
本发明的有益效果是：
在粘结层上开有导热孔可以有效的将热量从工作区导出，迅速散热；本发明中提供的封装结构既保证了器件与基板之间的有效接触，又解决了碳化硅器件因粘结层热导率低导致器件损坏的问题，有效地增强器件寿命，提高器件稳定性，同时降低成本，简化工艺。
本发明中封装基板的四周成锯齿形结构，增加散热传递的面积，提高传热效率，同时与壳体锯齿形凹槽相适配，安装时卡合进去，进一步增强稳固性。
氢氧化铝是一种环保型阻燃剂，在水、光、热环境中性能稳定，不挥发，且价格低廉，原料易得，同时在燃烧过程中不会释放有害气体，燃烧后的残渣不会污染环境，因而得到了广泛的应用。
氢氧化镁是一种新型填充型阻燃剂，其在燃烧时无有害气体释放，燃烧后的残渣也不会对环境造成污染，因而作为环保型阻燃剂得到了日益广泛的应用。
聚烯烃/ 无机阻燃剂体系在阻燃剂添加量很大的情况下才能达到较好的阻燃效果，极大的损害了材料的力学性能；聚烯烃或弹性体/ 膨胀型阻燃剂虽然在达到阻燃性能的条件下能够保持较好的力学性能，但材料容易吸水导致制品产生电性能下降、表面析出等不良，在潮湿环境下抗电压性能不能通过UL 等相关安规测试；热塑性聚氨酯弹性体是一种具有橡胶的特性而无需交联可反复加工使用的热塑性材料，具有极好的耐磨性、低温柔韧性、耐油性以及高的拉伸强度。但是聚氨酯弹性体加工温度窗口窄，加工流动性对温度极其敏感，挤出成型过程控制困难；往往需要添加增塑剂调整材料的软硬度，但聚氨酯弹性体与增塑剂的相容性差，添加增塑剂后容易出现增塑剂析出，导致制品表面发粘，聚氨酯弹性体的介电常数大于6，特别是绝缘层厚度小的情况耐电压性能达不到安规标准要求；而本发明中采用的聚苯醚是通过高苯乙烯含量的苯乙烯系弹性体、高流动性聚烯烃弹性体及高效耐高温耐水耐湿复配阻燃剂对聚苯醚进行改性，改善了原有的流动性差、硬度高且生产成本高等缺点，制备出的材料具有强度高、加工性能好、无卤阻燃、密度低、拉伸强度高、耐老化性能好、耐低温性好，在98%湿度+85℃高温高湿环境下7天样片表面无裂纹、表面无析出物等优良性能。
本发明中加入苯乙烯系弹性体以及聚烯烃弹性体，用弹性体包覆复配阻燃剂形成微囊结构，均匀分散与树脂中，改善了两相的亲和力，减少了界面的应力集中，从而改善了体系的综合性能（如机械性能和阻燃性能等），同时，用弹性体包覆复配阻燃剂形成微囊结构，使得复配阻燃剂在阻燃方面达到最有效的结合，相比于以往阻燃剂的加入大大降低了体系的绝缘电阻和断裂伸长率，本发明中加入了弹性体，阻燃剂的拉伸强度变化不大，且生产的制品韧性高、耐低温性能好、耐环境应力开裂性能也得到提高。
本发明中添加了分散剂，分散剂能增加基料间的亲和性，能防止粒子絮聚，降低涂饰剂的黏度，牢固地吸附在分散粒子的表面，并且提供良好的空间斥力，使粒子在高速搅拌下充分分散后，不会因为范德华力而再次团聚，吸附层也不会在受到外力作用时从粒子表面剥离而导致体系的不稳定，从而优化涂料的物理与化学性能；
本发明的加入了复合稀土，由于以上稀土元素的金属原子半径大且稀土具有较高的活性，很容易填补物料间的空隙，同时，稀土元素易和氧、硫等元素化合生成熔点高的化合物，复合稀土的加入在一定程度上提高了制备涂料的分散性和相容性，使产品混合均匀也提高了涂料的阻燃性； 添加填料可以增加涂料的体积，降低成本，同时也能提高填料的耐久性、打磨性、硬度等性能；添加流平剂可以明显改善涂料的手感，对基材的润湿性，另外对漆膜的抗粘连性有帮助。
本发明的涂料中加入了石墨烯/聚吡咯聚合物，可以改善水性环氧树脂的分散性，提高水性环氧树脂的防腐性能；本发明中聚吡咯呈球形颗粒均匀分散在石墨烯片层和边缘，在石墨烯片层的缺陷处复合数量更大，一定程度地弥补了石墨烯层的缺陷；改性石墨烯环氧树脂涂料具有较低的腐蚀速率和较高的涂层稳定性。
本发明涂料中加入复合阻燃剂其中加入的磷元素协同阻燃剂的合成工艺简单、产率高、阻燃效果好，具有广阔的前景；本发明中将几种不同的阻燃剂混合形成一种新的阻燃体系，共同阻燃效果大于各阻燃成分单独作用之和，协同效应不仅能提高阻燃体系的效率，而且能减少体系中某种成分或全部成分的用量，增加了阻燃性，延长封装外壳的的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1的导热孔俯视结构示意图；
图中，1-碳化硅功率器件，2-金属正电极，3-金属负电极，4-封装基板，6-粘结层，7-第一导热金属层，8-第二导热金属层，9-导热孔，10-粘合层，11-散热器。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，结构如图1-2所示，包括碳化硅功率器件1、金属正电极2、金属负电极3、封装基板4、封装外壳及外部引脚，碳化硅功率器件1设置于金属正电极2及金属负电极3之间，上、下表面分别覆盖有金属正电极2及金属负电极3的碳化硅功率器件1通过封装基板4设置封装外壳内，其中：
金属负电极3通过导热金属层与封装基板4连接，导热金属层包括由粘结层6连接的第一导热金属层7和第二导热金属层8，粘结层6上设有多个导热孔9，封装基板4通过粘合层10粘结有散热器11；
封装外壳包括壳体及上盖板，壳体的下端设有插口，壳体内壁上开有锯齿形凹槽；散热器11与壳体相适配，散热器11一端穿过壳体上的插口伸出壳体11外；
封装基板的四周为锯齿形结构，封装基板与壳体相适配；
封装外壳上涂覆一层防护层，防护层按质量份数计包括以下组分：
防护层由涂覆在封装外壳上的防护涂料形成，防护涂料按质量份数计包括以下组分：
聚氯乙烯：15份，苯乙烯系弹性体：10份，聚苯醚树脂粉：20份，水25份，聚烯烃弹性体：10份，石墨烯/聚吡咯聚合物5份，耐火填料5份，玻璃鳞片：1份，固化剂5份，硅烷偶联剂：4份，分散剂1份，改性蛭石粉末：1份，硅油：4份，增塑剂：3份，阻燃剂：20份，协同阻燃剂：1份，润滑剂：4份；
防护层的制备具体如下：
（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗1-3次，自然晾干；
（2）向高速分散机的搅拌罐中100r/min低速条件下加入聚氯乙烯、水、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及聚苯醚树脂粉，搅拌20min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、玻璃鳞片、分散剂、改性蛭石粉末继续搅拌，待搅拌均匀后加入耐火填料、润滑剂及增塑剂，提升转速至300r/min，搅拌10min，然后调节转速至300r/min，搅拌10min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、硅油、阻燃剂及协同阻燃剂制得防腐层的涂料；
（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用口径在1.0mm的喷枪进行喷涂在封装外壳外表面，雾化压力控制在100kPa，温度为15℃，相对湿度≤50%，干燥固化得到防护层。
在本实施例中，防护涂料中：苯乙烯系弹性体为氢化丁二烯-苯乙烯共聚物SEBS；聚烯烃弹性体为采用乙烯；固化剂为甲基三丁胴肟基硅烷；分散机为EFKA5010；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚壬二酸酐；耐火填料为白炭黑；协同阻燃剂为硼酸锌。
在本实施例中，金属正电极材料为Al/Ti、粘结层为锡铅银焊料，金属负电极材料为Ni，导热孔材料为高热导率石墨，第一导热金属层及第二导热金属层为金属铜；封装基板为碳化硅陶瓷材料或氧化铝陶瓷材料；粘合层为导热硅胶材料。
上述封装外壳按质量份数计包括以下组分：
2,2’-[（1-甲基亚乙基）双（4，1-亚苯基甲醛）]双环氧乙烷和亚甲基-双（1,3-苯二酚）-四缩水甘油醚：50份，亚麻酸酯：30份，邻位含氮酚醛树脂：20份，三聚氰胺甲醛-双酚A酚醛树脂：25份，聚丁二烯树脂：10份，氯丁二烯橡胶：10份，石蜡：10份，催化剂：1份，增稠剂：1份，固化促进剂：0.5份，固化剂：5份，防老剂4020：1份，硅烷偶联剂：4份，阻燃剂：5份，炭黑：1份，强化剂：7份，抗氧剂：1份，分散剂：2份，复合稀土：0.1份；
复合稀土按质量百分比计包括以下组分：
Y：13%，Sc：18%，Gd：8%，Sm：9%，余量为La，以上各组分之和为100%；
邻位含氮酚醛树脂按质量份数计包括以下组分：甲醛：20份，苯酚：40份，三聚氰胺：10份，氧化镁：7份，多羟甲基三聚氰胺：15份。
在本实施例中，催化剂为氢氧化钠；增稠剂为膨润土；固化促进剂为三苯基膦；固化剂为2-甲基咪唑；强化剂为亚硝酸钠、氯化镁；抗氧剂为芳香胺类抗氧剂；分散剂为聚乙二醇200；阻燃剂为9，10-二氢-9氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。
实施例2
本实施例提供实施例1中封装外壳上的防护层，防护层按质量份数计包括以下组分：
防护层由涂覆在封装外壳上的防护涂料形成，防护涂料按质量份数计包括以下组分：
聚氯乙烯：18份，苯乙烯系弹性体：13份，聚苯醚树脂粉：30份，水30份，聚烯烃弹性体：40份，石墨烯/聚吡咯聚合物10份，耐火填料10份，玻璃鳞片：3份，固化剂10份，硅烷偶联剂：6份，分散剂2份，改性蛭石粉末：3份，硅油：7份，增塑剂：5份，阻燃剂：30份，协同阻燃剂：3份，润滑剂：7份；
防护层的制备具体如下：
（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗3次，自然晾干；
（2）向高速分散机的搅拌罐中150r/min低速条件下加入聚氯乙烯、水、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及聚苯醚树脂粉，搅拌30min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、玻璃鳞片、分散剂、改性蛭石粉末继续搅拌，待搅拌均匀后加入耐火填料、润滑剂及增塑剂，提升转速至400r/min，搅拌20min，然后调节转速至330r/min，搅拌15min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、硅油、阻燃剂及协同阻燃剂制得防腐层的涂料；
（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用口径在1.2mm的喷枪进行喷涂在封装外壳外表面，雾化压力控制在220kPa，温度为25℃，相对湿度≤50%，干燥固化得到防护层。
在本实施例中，防护涂料中：苯乙烯系弹性体为丁二烯-苯乙烯共聚物SBS；聚烯烃弹性体为丁烯；固化剂为甲基三丁胴肟基硅烷；分散机为EFKA5010；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚壬二酸酐或聚氨酯；耐火填料为云母；协同阻燃剂为红磷。
上述封装外壳按质量份数计包括以下组分：
2,2’-[（1-甲基亚乙基）双（4，1-亚苯基甲醛）]双环氧乙烷和亚甲基-双（1,3-苯二酚）-四缩水甘油醚：60份，亚麻酸酯：40份，邻位含氮酚醛树脂：30份，三聚氰胺甲醛-双酚A酚醛树脂：27份，聚丁二烯树脂：13份，氯丁二烯橡胶：15份，石蜡：15份，催化剂：3份，增稠剂：1-2份，固化促进剂：1.0份，固化剂：7份，防老剂4020：2份，硅烷偶联剂：6份，阻燃剂：7份，炭黑：3份，强化剂：9份，抗氧剂：3份，分散剂：4份，复合稀土：0.3份；
复合稀土按质量百分比计包括以下组分：
Y：15%，Sc：20%，Gd：10%，Sm：11%，余量为La，以上各组分之和为100%；
邻位含氮酚醛树脂按质量份数计包括以下组分：甲醛：30份，苯酚：50份，三聚氰胺：15份，氧化镁：9份，多羟甲基三聚氰胺：20份。
在本实施例中，催化剂为氢氧化钠；增稠剂为凹凸棒土；固化促进剂为三苯基膦；固化剂为次甲基四胺；强化剂为氯化镁、硫酸钠；抗氧剂为芳香胺类抗氧剂；分散剂为硬质酰胺；阻燃剂为9，10-二氢-9氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。
实施例3
本实施例提供实施例1中封装外壳上的防护层，防护层按质量份数计包括以下组分：
防护层由涂覆在封装外壳上的防护涂料形成，防护涂料按质量份数计包括以下组分：
聚氯乙烯：17份，苯乙烯系弹性体：12份，聚苯醚树脂粉：25份，水28份，聚烯烃弹性体：25份，石墨烯/聚吡咯聚合物8份，耐火填料8份，玻璃鳞片：2份，固化剂8份，硅烷偶联剂：5份，分散剂2份，改性蛭石粉末：2份，硅油：5份，增塑剂：4份，阻燃剂：25份，协同阻燃剂：2份，润滑剂：6份；
防护层的制备具体如下：
（1）在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗2次，自然晾干；
（2）向高速分散机的搅拌罐中120r/min低速条件下加入聚氯乙烯、水、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及聚苯醚树脂粉，搅拌25min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、玻璃鳞片、分散剂、改性蛭石粉末继续搅拌，待搅拌均匀后加入耐火填料、润滑剂及增塑剂，提升转速至350r/min，搅拌15min，然后调节转速至320r/min，搅拌13min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、硅油、阻燃剂及协同阻燃剂制得防腐层的涂料；
（3）将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用口径在1.1mm的喷枪进行喷涂在封装外壳外表面，雾化压力控制在180kPa，温度为20℃，相对湿度≤50%，干燥固化得到防护层。
在本实施例中，防护涂料中：苯乙烯系弹性体为氢化丁二烯-苯乙烯共聚物SEBS；聚烯烃弹性体为丁烯；固化剂为甲基三丁胴肟基硅烷；分散机为EFKA5010；阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；增塑剂为聚氨酯；耐火填料为碳酸钙；协同阻燃剂为红磷。
上述封装外壳按质量份数计包括以下组分：
2,2’-[（1-甲基亚乙基）双（4，1-亚苯基甲醛）]双环氧乙烷和亚甲基-双（1,3-苯二酚）-四缩水甘油醚：55份，亚麻酸酯：35份，邻位含氮酚醛树脂：25份，三聚氰胺甲醛-双酚A酚醛树脂：26份，聚丁二烯树脂：12份，氯丁二烯橡胶：12份，石蜡：13份，催化剂：2份，增稠剂：1份，固化促进剂：0.8份，固化剂：6份，防老剂4020：1份，硅烷偶联剂：5份，阻燃剂：6份，炭黑：2份，强化剂：8份，抗氧剂：2份，分散剂：3份，复合稀土：0.2份；
复合稀土按质量百分比计包括以下组分：
Y：14%，Sc：19%，Gd：9%，Sm：10%，余量为La，以上各组分之和为100%；
邻位含氮酚醛树脂按质量份数计包括以下组分：甲醛：25份，苯酚：45份，三聚氰胺：12份，氧化镁：8份，多羟甲基三聚氰胺：18份。
在本实施例中，催化剂为氢氧化钠；增稠剂为硅酸铝；固化促进剂为三苯基膦；固化剂为2-乙基-4甲基咪唑；强化剂为亚硝酸钠及硫酸钠；抗氧剂为芳香胺类抗氧剂；分散剂为三硬脂酸甘油酯；阻燃剂为9，10-二氢-9氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。
实施例1-3中，该封装的制备工艺具体如下：
（1）在碳化硅功率器件的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极和金属负电极；
（2）分别在碳化硅功率器件的金属负电极和封装基板上形成粘结层上层第一导热金属层和粘结层下层第二导热金属层，制作金属层时采用电镀法；
（3）在步骤（2）形成的粘结层上层第一导热金属层上制造石墨薄膜，采用含氢等离子体对石墨进行各向异性刻蚀出导热孔；
（4）将步骤 （3） 中形成的器件通过形成的粘结层采用焊接粘贴法贴装在粘结层下层第二导热金属层上；
（5）使用粘合剂粘合散热器，在散热器与封装基板之间形成粘合层；
（6）步骤（5）形成的器件安装在壳体内，散热器穿过壳体内的插口伸出壳体，同时封装基板安装在壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上盖板，通过螺栓锁紧完成封装。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：包括碳化硅功率器件(1)、金属正电极(2)、金属负电极(3)、封装基板(4)、封装外壳及外部引脚，所述碳化硅功率器件(1)设置于所述金属正电极(2)及金属负电极(3)之间，上、下表面分别覆盖有所述金属正电极(2)及金属负电极(3)的碳化硅功率器件(1)通过所述封装基板(4)设置所述封装外壳内，其中：
所述金属负电极(3)通过导热金属层与所述封装基板(4)连接，所述导热金属层包括由粘结层(6)连接的第一导热金属层(7)和第二导热金属层(8)，所述粘结层(6)上设有多个导热孔(9)，所述封装基板(4)通过粘合层(10)粘结有散热器(11)；
所述封装外壳包括壳体及上盖板，所述壳体的下端设有插口，所述壳体内壁上开有锯齿形凹槽；所述散热器(11)与所述壳体相适配，所述散热器(11)一端穿过所述壳体上的插口伸出壳体外；
所述封装外壳上涂覆一层防护层，所述的防护层按质量份数计包括以下组分：
所述的防护层由涂覆在封装外壳上的防护涂料形成，所述防护涂料按质量份数计包括以下组分：
聚氯乙烯：15-18份，苯乙烯系弹性体：10-13份，聚苯醚树脂粉：20-30份，水25-30份，聚烯烃弹性体：10-40份，石墨烯/聚吡咯聚合物5-10份，耐火填料5-10份，玻璃鳞片：1-3份，固化剂5-10份，硅烷偶联剂：4-6份，分散剂1-2份，改性蛭石粉末：1-3份，硅油：4-7份，增塑剂：3-5份，阻燃剂：20-30份，协同阻燃剂：1-3份，润滑剂：4-7份；
所述防护层的制备具体如下：
(1)在封装外壳表面用细砂纸轻微打毛，清洗后用清水冲洗1-3次，自然晾干；
(2)向高速分散机的搅拌罐中100-150r/min低速条件下加入聚氯乙烯、水、聚烯烃弹性体、苯乙烯系弹性体及聚苯醚树脂粉，搅拌20-30min，然后在加入石墨烯/聚吡咯聚合物、玻璃鳞片、分散剂、改性蛭石粉末继续搅拌，待搅拌均匀后加入耐火填料、润滑剂及增塑剂，提升转速至300-400r/min，搅拌10-20min，然后调节转速至300-330r/min，搅拌10-15min，然后加入固化剂、硅烷偶联剂、硅油、阻燃剂及协同阻燃剂制得防腐层的涂料；
(3)将制备的涂料用网筛再次过滤，将制备得到的涂料采用口径在1.0-1.2mm的喷枪进行喷涂在封装外壳外表面，雾化压力控制在100-220kPa，温度为15～25℃，相对湿度≤50％，干燥固化得到防护层。
2.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于，防护涂料中：所述苯乙烯系弹性体为丁二烯-苯乙烯共聚物SBS或氢化丁二烯-苯乙烯共聚物SEBS；所述的聚烯烃弹性体为采用乙烯或丁烯；所述的固化剂为甲基三丁胴肟基硅烷；所述的分散剂为EFKA5010；所述的阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁无机阻燃剂的混合物；所述的增塑剂为聚壬二酸酐或聚氨酯；所述的耐火填料为白炭黑、云母、碳酸钙、硅灰石、高岭土、滑石粉、玻璃粉或蒙脱土中的一种；所述的协同阻燃剂为硼酸锌或红磷。
3.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述封装基板的四周为锯齿形结构，所述封装基板与所述壳体相适配。
4.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述金属正电极材料为Al/Ti、所述粘结层为锡铅银焊料，金属负电极材料为Ni，导热孔材料为高热导率石墨，第一导热金属层及第二导热金属层为金属铜。
5.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述的封装基板为碳化硅陶瓷材料或氧化铝陶瓷材料；所述的粘合层为导热硅胶材料。
6.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述封装外壳按质量份数计包括以下组分：
2,2’-[(1-甲基亚乙基)双(4，1-亚苯基甲醛)]双环氧乙烷和亚甲基-双(1,3-苯二酚)-四缩水甘油醚：50-60份，亚麻酸酯：30-40份，邻位含氮酚醛树脂：20-30份，三聚氰胺甲醛-双酚A酚醛树脂：25-27份，聚丁二烯树脂：10-13份，氯丁二烯橡胶：10-15份，石蜡：10-15份，催化剂：1-3份，增稠剂：1-2份，固化促进剂：0.5-1.0份，固化剂：5-7份，防老剂4020：1-2份，硅烷偶联剂：4-6份，阻燃剂：5-7份，炭黑：1-3份，强化剂：7-9份，抗氧剂：1-3份，分散剂：2-4份，复合稀土：0.1-0.3份；
所述的复合稀土按质量百分比计包括以下组分：Y：13-15％，Sc：18-20％，Gd：8-10％，Sm：9-11％，余量为La，以上各组分之和为100％。
7.根据权利要求6所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述的邻位含氮酚醛树脂按质量份数计包括以下组分：甲醛：20-30份，苯酚：40-50份，三聚氰胺：10-15份，氧化镁：7-9份，多羟甲基三聚氰胺：15-20份。
8.根据权利要求6所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述催化剂为氢氧化钠；所述的增稠剂为膨润土、凹凸棒土或硅酸铝；所述的固化促进剂为三苯基膦；所述固化剂为2-甲基咪唑、六次甲基四胺、2-乙基-4甲基咪唑中的一种；所述的强化剂为亚硝酸钠、氯化镁、硫酸钠中的任意两种组合；所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂；所述的分散剂为聚乙二醇200、硬质酰胺或三硬脂酸甘油酯中的一种；所述的阻燃剂为9，10-二氢-9氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。
9.根据权利要求1所述的用于新能源汽车的宽禁带半导体碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：该封装的制备工艺具体如下：
(1)在碳化硅功率器件的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极和金属负电极；
(2)分别在碳化硅功率器件的金属负电极和封装基板上形成粘结层上层第一导热金属层和粘结层下层第二导热金属层，制作金属层时采用电镀法；
(3)在步骤(2)形成的粘结层上层第一导热金属层上制造石墨薄膜，采用含氢等离子体对石墨进行各向异性刻蚀出导热孔；
(4)将步骤(3)中形成的器件通过形成的粘结层采用焊接粘贴法贴装在粘结层下层第二导热金属层上；
(5)使用粘合剂粘合散热器，在散热器与封装基板之间形成粘合层；
(6)步骤(5)形成的器件安装在壳体内，散热器穿过壳体内的插口伸出壳体，同时封装基板安装在壳体内与锯齿形凹槽相适配，最后盖上上盖板，通过螺栓锁紧完成封装。
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