CN109817612A - 一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，该封装结构包括铜底板，DBC板，碳化硅芯片，驱动信号端子和功率回路端子；所述碳化硅芯片，以每两个为一个单元进行并联，长边沿着所述铜底板的长边平行排列放置，每两个单元共用一块DBC板，所述两个单元为串联结构，所述DBC板固定在所述铜底板上；所述驱动信号端子采用顶针方式直接引出；所述功率回路端子采用带有螺纹的铜块引出。本发明通过优化碳化硅芯片放置方式、DBC分布方式和端子的引出方式，减小了电流路径长度，增大了电流路径宽度，提高了DBC板的底板面积利用率，增大了散热面积，减小了散热热阻，从而提高封装的电热性能。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块封装技术领域，具体涉及一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构。
背景技术
随着功率半导体器件应用场合日益丰富与多变，目前碳化硅功率半导体器件已初步在光伏逆变器、风力发电、电动汽车等领域进行了应用尝试。然而，新的封装方法和技术是目前制约碳化硅器件规模应用的主要因素之一。与硅基功率半导体器件相比，碳化硅器件开关速度更快，在相同寄生电感下，碳化硅器件在开关瞬态过程中承受更高的电压和电流应力，由此带来开关损耗增加，电磁干扰等问题，严重时会导致器件损坏或失效。因此，碳化硅功率模块对封装寄生参数的要求更加苛刻。另一方面，碳化硅芯片尺寸更小，相同电流等级下功率密度更高，这使得功率模块的散热面临更高的挑战。因此，焊接型功率模块封装的电热性能优化对于充分发挥碳化硅器件优异性能显得尤为重要。
现有的商业化碳化硅封装模块基本是沿用传统的硅基模块的封装结构，封装内部的寄生电感较大。尽管学术界和工业界也提出了很多新型的封装技术，例如混合封装，平面封装，3D封装等结构上的优化以及焊接球、纳米银烧结等互连技术，但这些新型封装技术存在工艺较复杂，成本较高，技术成熟度不高，可靠性尚待验证等诸多问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，在不改变传统封装工艺的前提下，通过优化芯片放置方式、DBC板分布方式、封装布局、互连结构来实现更好的模块电热性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，包括铜底板，DBC板和碳化硅芯片；
所述碳化硅芯片，以每两个为一个单元进行并联，长边沿着所述铜底板的长边平行排列放置，每两个单元共用一块DBC板，所述两个单元为串联结构，所述DBC板固定在所述铜底板上。
优选的，所述封装结构还包括驱动信号端子，所述驱动信号端子采用顶针方式直接引出，与外部进行电气互连。
优选的，所述驱动信号端子包括栅极信号端子和辅助源极信号端子，所述栅极信号端子和辅助源极信号端子通过键合线引出到DBC板，而后由顶针直接引出。
优选的，所述封装结构还包括功率回路端子，所述功率回路端子采用铜块引出。
优选的，所述功率回路端子包括正极引出端子、负极引出端子和交流输出端子，所述正极引出端子、负极引出端子和交流输出端子采用铜块引出；所述铜块为一个下底板和一个方体的一体结构，所述下底板和所述方体宽相同，所述下底板的长比所述方体长，所述方体位于所述下底板中心位置。
优选的，所述铜块的方体上表面设有一个螺纹孔，用于与封装外壳螺纹连接，所述下底板与所述方体接触的面为所述下底板的第一表面，所述第一表面未与所述方体重叠的部分为第二表面和第三表面，所述第二表面和第三表面上设有小孔，用于端子焊接。
优选的，所述封装结构还包括键合线，用于连接碳化硅功率模块上桥臂源极与下桥臂漏极。
优选的，所述封装结构还包括键合线，用于碳化硅芯片的栅极、源极和辅助源极的引出。
优选的，所述封装结构还包括可拆卸式封装外壳。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过将芯片长边沿着铜底板的长边平行排列放置，并将碳化硅芯片以两个为一单元进行并联，每两个单元共用一块DBC板，这样布局减小了电流路径长度，增大了电流路径宽度，从而降低了回路的寄生电感，同时提高了DBC板的面积利用率，为芯片更宽间距的排列提供了空间，增大了散热面积，减小了散热热阻，从而提高了封装的热性能；此外，功率回路端子的铜块结构使模块封装外形上更薄，增大了模块的功率密度，同时不同DBC板在封装结构内部未进行电气连接，使模块的外接应用的拓扑形式和控制方式更为灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的DBC板布局图；
图2为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构互连示意图；
图3为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的铜块结构图；
图4为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的外壳结构图；
图5为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的整体结构图；
1：模块下桥臂碳化硅芯片的栅极信号汇集区；2：模块下桥臂碳化硅芯片的辅助源极信号汇集区；3：模块内部碳化硅芯片的栅极；4：模块内部碳化硅芯片的辅助源极；5：续流二极管与开关器件源极互连键合线；6：续流二极管芯片的阳极；7：与模块下桥臂碳化硅芯片漏极互连的DBC板上铜层；8：上下桥臂互连键合线；9：与模块上桥臂碳化硅芯片漏极互连的DBC板上铜层；10：模块上下桥臂两个芯片并联单元共用的DBC板陶瓷层；11：模块上桥臂碳化硅芯片的辅助源极信号汇集区；12：模块上桥臂碳化硅芯片的栅极信号汇集区；13：驱动回路栅极引出键合线；14：驱动回路辅助源极引出键合线；15：模块下桥臂辅助源极引出顶针；16：模块下桥臂栅极引出顶针；17：模块交流输出端子；18：负极引出端子；19：正极引出端子；20：铜块；21：螺纹孔；22：焊接小孔；23：封装外壳；24：正极引出端子孔；25：负极引出端子孔；26：模块交流输出端子孔；27：模块下桥臂辅助源极引出顶针孔；28：模块下桥臂栅极引出顶针孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，在不改变传统封装工艺的前提下，通过优化芯片放置方式、DBC板分布、封装布局、互连结构来实现更好的模块电热性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的DBC板布局图；
如图1所示，两个碳化硅芯片并联作为一个单元，同一单元的碳化硅芯片漏极和续流二极管的阴极均焊接在同一块与模块下桥臂碳化硅芯片漏极互连的DBC板上铜层7或与模块上桥臂碳化硅芯片漏极互连的DBC板上铜层9，且每一单元的SiC芯片长边沿铜底板的长边平行排列放置。
模块内部碳化硅芯片的辅助源极4通过续流二极管与开关器件源极互连键合线5与续流二极管芯片的阳极6相连。
模块上桥臂与下桥臂间通过上下桥臂互连键合线8实现电气互连，且上下桥臂两芯片并联子单元共用一块DBC板陶瓷层10，不同DBC板间不存在电气连接。
三个半桥子单元的总面积为50.66×25×3＝3799.5mm2，占总铜底板的总面积(6328.3mm2)的60％。
SiC芯片的栅极3和辅助源极4分别通过键合线13和14连接到分组单元的信号汇集区。
其改进之处主要在于优化了碳化硅芯片放置方式、分组并联形式及DBC板布局形式，减小了封装的寄生电感，提高了封装的热性能，同时提高了DBC板的底板面积利用率，增大了散热面积，减小了散热热阻，为碳化硅芯片更宽间距的排列提供了空间，从而提高了封装的热性能。
图2为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构互连示意图；如图1和2所示，该封装结构还包括驱动信号端子，所述驱动信号端子包括栅极信号端子和辅助源极信号端子，所述栅极和辅助源极通过键合线引出到DBC上铜板的模块下桥臂碳化硅芯片的栅极信号汇集区1、模块上桥臂碳化硅芯片的栅极信号汇集区12和模块下桥臂碳化硅芯片的辅助源极信号汇集区2、模块上桥臂碳化硅芯片的辅助源极信号汇集区11，而后由模块下桥臂栅极引出顶针16和模块下桥臂辅助源极引出顶针15直接引出，与外部进行电气互连，减小驱动回路面积，从而减小驱动回路的寄生电感。
所述封装结构还包括功率回路端子，所述功率回路端子包括正极引出端子19、负极引出端子18和交流输出端子17，所述正极引出端子19、负极引出端子18和交流输出端子17采用薄铜块引出。
图3为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的铜块结构图，如图3所示，功率端子采用带有螺纹孔21的薄铜块20引出，薄铜块20的高度为5mm，铜块的螺纹孔21直径为4mm，深度为2mm，铜块20两端分别有3个直径为1mm小孔22，用于提高端子焊接的可靠性，薄铜块20的设计使模块封装外形上更薄，增大了模块的功率密度。
图4为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的外壳结构图，所述外壳23高度为8.7mm，厚度为2mm，其中正极引出端子孔24、负极引出端子孔25和模块交流输出端子孔26分别是配合正极引出端子19、负极引出端子18和交流输出端子17的外壳孔，模块下桥臂辅助源极引出顶针孔27和模块下桥臂栅极引出顶针孔28分别是配合模块下桥臂辅助源极引出顶针16和模块下桥臂栅极引出顶针15的外壳孔，提升模块封装内部的绝缘强度。
图5为本发明实施例改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构的整体结构图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，优化了碳化硅芯片的布局与碳化硅芯片分组并联的形式，减小了电流路径长度，增大了电流路径宽度，从而显著降低了功率模块封装的寄生电感。
2、本发明提供的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，改变了DBC板的分布，增大了DBC板的面积，提高了基板的面积利用率，同时芯片具有更宽间距，减小了散热热阻，从而提高了封装的热可靠性。
3、本发明提供的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，利用铜块，避免了端子弯折工艺，可实现更低的端子高度，从而降低模块整体封装的高度，提升了模块的功率密度。
4、本发明提供的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，改变了封装内部端子互连结构，由于封装内部不同DBC板间未进行电气连接，使得封装模块外接的应用和控制方式更为灵活，可实现单相半桥、单相全桥和三相全桥等多种拓扑结构形式。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，包括铜底板，DBC板和碳化硅芯片；
所述碳化硅芯片，以每两个为一个单元进行并联，长边沿着所述铜底板的长边平行排列放置，每两个单元共用一块DBC板，所述两个单元为串联结构，所述DBC板固定在所述铜底板上。
2.根据权利要求1所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括驱动信号端子，所述驱动信号端子采用顶针方式直接引出，与外部进行电气互连。
3.根据权利要求2所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述驱动信号端子包括栅极信号端子和辅助源极信号端子，所述栅极信号端子和辅助源极信号端子通过键合线引出到DBC板，而后由顶针直接引出。
4.根据权利要求1或2所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括功率回路端子，所述功率回路端子采用铜块引出。
5.根据权利要求4所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述功率回路端子包括正极引出端子、负极引出端子和交流输出端子，所述正极引出端子、负极引出端子和交流输出端子采用铜块引出；所述铜块为一个下底板和一个方体的一体结构，所述下底板和所述方体宽相同，所述下底板的长比所述方体长，所述方体位于所述下底板中心位置。
6.根据权利要求5所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述铜块的方体上表面设有一个螺纹孔，用于与封装外壳螺纹连接，所述下底板与所述方体接触的面为所述下底板的第一表面，所述第一表面未与所述方体重叠的部分为第二表面和第三表面，所述第二表面和第三表面上设有小孔，用于端子焊接。
7.根据权利要求1所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括键合线，用于连接碳化硅功率模块上桥臂源极与下桥臂漏极。
8.根据权利要求1所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括键合线，用于碳化硅芯片的栅极、源极和辅助源极的引出。
9.根据权利要求1所述的一种改善焊接型碳化硅功率模块电热性能的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括可拆卸式封装外壳。
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