CN113782503A - 一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法，涉及碳化硅功率器件封装技术领域，包括碳化硅功率器件，所述碳化硅功率器件的顶端设置有正电极，所述碳化硅功率器件的底端连接有副电机，所述副电机的底端安装有散热机构，所述散热机构的底端设置有封装基板。本发明通过设置碳化硅功率器件、散热机构、封装基板、散热器，散热箱的底端与第二接触面接触，从而导致散热箱内部顶端与底端吸收的热量不同，使得散热箱底端的热量通过导热仓移动至导热杆内部，最后移动至回流仓内部，使得热量在散热箱内部移动，加快热量的发散，通过外部空气的快速流动，再加上散热箱对合金散热棒的快速吸热，通过双重散热的方法达到快速散热的目的。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅功率器件封装技术领域，具体为一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法。
背景技术
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。对于碳化硅(SiC)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，因此，研究它的温度可靠性具有重要意义。
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。有文献已经证明，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，在很多应用场合中，例如航空航天等极端环境条件下，更对这种技术有强烈需求。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。分立功率器件在工业界具有很广的商用可选封装封装的选择取决于几个因素，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
本发明的目的在于：为了解决上述问题，提供一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法，包括碳化硅功率器件，所述碳化硅功率器件的顶端设置有正电极，所述碳化硅功率器件的底端连接有副电机，所述副电机的底端安装有散热机构，所述散热机构的底端设置有封装基板，所述封装基板的底端固定有散热器。
优选地，所述散热机构包括有与副电机相连的隔热板，所述隔热板的一侧固定有合金散热棒，所述合金散热棒的顶端部位设置有第一接触面，所述合金散热棒的底端部位安装有第二接触面，所述合金散热棒的一侧固定有散热箱，所述散热箱的底端位于第二接触面的一侧设置有导热仓，所述导热仓的顶端安装有导热杆，所述散热箱的内部位于导热杆的一侧固定有回流仓，所述散热箱的外壁设置有散热槽。
优选地，所述散热箱的顶端宽度为散热箱底端宽度的两倍。
优选地，所述隔热板的顶宽开设有多组贯穿至隔热板底端的散热孔，所述隔热板内部散热孔与合金散热棒的顶端紧密贴合，所述合金散热棒的顶端与隔热板的顶端位于同一横向水平线。
优选地，所述隔热板内部合金散热棒的排列顺序为间隔式排序，相邻所述合金散热棒之间间隔一组合金散热棒的距离，所述合金散热棒的形状为圆柱体或长方体，所述合金散热棒在隔热板内部排列有四行，所述隔热板内部四行合金散热棒中每行均设置有九个合金散热棒。
优选地，所述封装基板的顶端等距分布有与隔热板内部相对于的卡槽，所述封装基板顶端卡槽与合金散热棒的底端紧密接触。
优选地，一种碳化硅功率器件封装结构的封装方法，包括以下步骤：
步骤一，通过超声波清洗机对碳化硅功率器件进行清洗，清洗完成后将碳化硅功率器件夹取至烘干机内部，通过烘干机对碳化硅功率器件进行烘干，对烘干完成后碳化硅功率器件的正反面进行处理，使得碳化硅功率器件的正面形成正电极，所述碳化硅功率器件的反面形成副电机；
步骤二，通过定位器将隔热板内部散热孔的圆心定位至封装基板的顶端，对封装基板顶端进行定位，再按照隔热板内部散热孔的内壁形状尺寸对封装基板顶端进行开槽，使得封装基板顶端卡槽与隔热板内部散热孔位于同一横向水平线，将开槽完成后的封装基板进行清理，去除封装基板外壁顶端颗粒物质与离子杂质；
步骤三，通过导热硅胶材料将合金散热棒的顶端固定在隔热板内部的散热孔内部，然后将散热箱通过焊接粘贴法固定在合金散热棒的外壁，再通过回流焊接技术将合金散热棒焊接到副电机上，在封装基板内部卡槽中注射导热硅胶材料，将合金散热棒粘接到封装基板内部卡槽中，使得散热机构与碳化硅功率器件固定连接，散热机构与封装基板固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设置碳化硅功率器件、散热机构、封装基板、散热器，碳化硅功率器件工作时产生热量，合金散热棒将碳化硅功率器件部分热量吸收，由于第二接触面与碳化硅功率器件距离比第一接触面远，从而导致第一接触面部位温度较高，而第一接触面的一侧设置有隔热板，从而使得第一接触面部位的温度只能向四周扩散，同理可知第二接触面的温度较低，从而实现了第一接触面与第二接触面部位温度实现温差对流，增加了合金散热棒周围气体的流动速度，但是合金散热棒阵列分布后，一行合金散热棒与另一行合金散热棒之间设置有散热槽，一列合金散热棒与另一列合金散热棒也设置有散热槽，结合合金散热棒周围气体流通速度较快，从而使得合金散热棒周围气体在散热槽内部快速移动，实现对碳化硅功率器件的快速散热，同时由于散热箱的顶端靠近第一接触面，从而使得散热箱吸收第一接触面部位的热量，同理散热箱的底端与第二接触面接触，从而导致散热箱内部顶端与底端吸收的热量不同，使得散热箱底端的热量通过导热仓移动至导热杆内部，最后移动至回流仓内部，使得热量在散热箱内部移动，加快热量的发散，通过外部空气的快速流动，再加上散热箱对合金散热棒的快速吸热，通过双重散热的方法达到快速散热的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明散热机构的结构示意图；
图3为本发明散热箱的结构示意图；
图4为本发明长方体合金散热棒的结构示意图；
图5为本发明圆柱体合金散热棒的结构示意图。
图中：1、碳化硅功率器件；12、正电极；13、副电机；2、散热机构；21、隔热板；22、合金散热棒；23、第一接触面；24、第二接触面；25、散热箱；26、导热仓；27、导热杆；28、回流仓；29、散热槽；3、封装基板；4、散热器。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
实施例一
请参阅图1-5，一种碳化硅功率器件封装结构及封装方法，包括碳化硅功率器件1，碳化硅功率器件1的顶端设置有正电极12，碳化硅功率器件1的底端连接有副电机13，副电机13的底端安装有散热机构2，散热机构2的底端设置有封装基板3，封装基板3的底端固定有散热器4。
请着重参阅图1-5，散热机构2包括有与副电机13相连的隔热板21，隔热板21的一侧固定有合金散热棒22，合金散热棒22的顶端部位设置有第一接触面23，合金散热棒22的底端部位安装有第二接触面24，合金散热棒22的一侧固定有散热箱25，散热箱25的底端位于第二接触面24的一侧设置有导热仓26，导热仓26的顶端安装有导热杆27，散热箱25的内部位于导热杆27的一侧固定有回流仓28，散热箱25的外壁设置有散热槽29，便于散热机构2对碳化硅功率器件1进行散热处理。
请着重参阅图3，散热箱25的顶端宽度为散热箱25底端宽度的两倍，由于第一接触面23的温度高于第二接触面24，所以散热箱25的顶端需吸收比散热箱25底端更多的热量，从而使得合金散热棒22整体均匀散热。
请着重参阅图2，隔热板21的顶宽开设有多组贯穿至隔热板21底端的散热孔，隔热板21内部散热孔与合金散热棒22的顶端紧密贴合，合金散热棒22的顶端与隔热板21的顶端位于同一横向水平线，便于在碳化硅功率器件1运行性，所有的合金散热棒22的顶端与碳化硅功率器件1的极端接触，保障了碳化硅功率器件1的均匀散热。
请着重参阅图4与图5，隔热板21内部合金散热棒22的排列顺序为间隔式排序，相邻合金散热棒22之间间隔一组合金散热棒22的距离，合金散热棒22的形状为圆柱体或长方体，合金散热棒22在隔热板21内部排列有四行，隔热板21内部四行合金散热棒22中每行均设置有九个隔热板21，便于在合金散热棒22组成的阵列中形成多组散热槽，使得热气可快速排出散热机构2。
请着重参阅图1与图2，封装基板3的顶端等距分布有与隔热板21内部相对于的卡槽，封装基板3顶端卡槽与合金散热棒22的底端紧密接触，便于工作人员快速便捷的组装装置主体。
实施例二
一种碳化硅功率器件封装结构的封装方法，包括以下步骤：
步骤一，通过超声波清洗机对碳化硅功率器件1进行清洗，清洗完成后将碳化硅功率器件1夹取至烘干机内部，通过烘干机对碳化硅功率器件1进行烘干，对烘干完成后碳化硅功率器件1的正反面进行处理，使得碳化硅功率器件1的正面形成正电极12，碳化硅功率器件1的反面形成副电机13；
步骤二，通过定位器将隔热板21内部散热孔的圆心定位至封装基板3的顶端，对封装基板3顶端进行定位，再按照隔热板21内部散热孔的内壁形状尺寸对封装基板3顶端进行开槽，使得封装基板3顶端卡槽与隔热板21内部散热孔位于同一横向水平线，将开槽完成后的封装基板3进行清理，去除封装基板3外壁顶端颗粒物质与离子杂质；
步骤三，通过导热硅胶材料将合金散热棒22的顶端固定在隔热板21内部的散热孔内部，然后将散热箱25通过焊接粘贴法固定在合金散热棒22的外壁，再通过回流焊接技术将合金散热棒22焊接到副电机13上，在封装基板3内部卡槽中注射导热硅胶材料，将合金散热棒22粘接到封装基板3内部卡槽中，使得散热机构2与碳化硅功率器件1固定连接，散热机构2与封装基板3固定连接。
工作原理：首先，碳化硅功率器件1工作时产生热量，合金散热棒22将碳化硅功率器件1部分热量吸收，由于第二接触面24与碳化硅功率器件1距离比第一接触面23远，从而导致第一接触面23部位温度较高，而第一接触面的一侧设置有隔热板21，从而使得第一接触面23部位的温度只能向四周扩散，同理可知第二接触面24的温度较低，从而实现了第一接触面23与第二接触面24部位温度实现温差对流，增加了合金散热棒22周围气体的流动速度，但是合金散热棒22阵列分布后，一行合金散热棒22与另一行合金散热棒22之间设置有散热槽29，一列合金散热棒22与另一列合金散热棒22也设置有散热槽29，结合合金散热棒22周围气体流通速度较快，从而使得合金散热棒22周围气体在散热槽29内部快速移动，实现对碳化硅功率器件1的快速散热，同时由于散热箱25的顶端靠近第一接触面23，从而使得散热箱25吸收第一接触面23部位的热量，同理散热箱25的底端与第二接触面24接触，从而导致散热箱25内部顶端与底端吸收的热量不同，使得散热箱25底端的热量通过导热仓26移动至导热杆27内部，最后移动至回流仓28内部，使得热量在散热箱25内部移动，加快热量的发散，通过外部空气的快速流动，再加上散热箱25对合金散热棒22的快速吸热，通过双重散热的方法达到快速散热的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种碳化硅功率器件封装结构，包括碳化硅功率器件（1），其特征在于：所述碳化硅功率器件（1）的顶端设置有正电极（12），所述碳化硅功率器件（1）的底端连接有副电机（13），所述副电机（13）的底端安装有散热机构（2），所述散热机构（2）的底端设置有封装基板（3），所述封装基板（3）的底端固定有散热器（4）。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述散热机构（2）包括有与副电机（13）相连的隔热板（21），所述隔热板（21）的一侧固定有合金散热棒（22），所述合金散热棒（22）的顶端部位设置有第一接触面（23），所述合金散热棒（22）的底端部位安装有第二接触面（24），所述合金散热棒（22）的一侧固定有散热箱（25），所述散热箱（25）的底端位于第二接触面（24）的一侧设置有导热仓（26），所述导热仓（26）的顶端安装有导热杆（27），所述散热箱（25）的内部位于导热杆（27）的一侧固定有回流仓（28），所述散热箱（25）的外壁设置有散热槽（29）。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述散热箱（25）的顶端宽度为散热箱（25）底端宽度的两倍。
4.根据权利要求2所述的一种碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述隔热板（21）的顶宽开设有多组贯穿至隔热板（21）底端的散热孔，所述隔热板（21）内部散热孔与合金散热棒（22）的顶端紧密贴合，所述合金散热棒（22）的顶端与隔热板（21）的顶端位于同一横向水平线。
5.根据权利要求2所述的一种碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述隔热板（21）内部合金散热棒（22）的排列顺序为间隔式排序，相邻所述合金散热棒（22）之间间隔一组合金散热棒（22）的距离，所述合金散热棒（22）的形状为圆柱体或长方体，所述合金散热棒（22）在隔热板（21）内部排列有四行，所述隔热板（21）内部四行合金散热棒（22）中每行均设置有九个合金散热棒（22）。
6.根据权利要求4所述的一种碳化硅功率器件封装结构，其特征在于：所述封装基板（3）的顶端等距分布有与隔热板（21）内部相对于的卡槽，所述封装基板（3）顶端卡槽与合金散热棒（22）的底端紧密接触。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的一种碳化硅功率器件封装结构的封装方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，通过超声波清洗机对碳化硅功率器件（1）进行清洗，清洗完成后将碳化硅功率器件（1）夹取至烘干机内部，通过烘干机对碳化硅功率器件（1）进行烘干，对烘干完成后碳化硅功率器件（1）的正反面进行处理，使得碳化硅功率器件（1）的正面形成正电极（12），所述碳化硅功率器件（1）的反面形成副电机（13）；
步骤二，通过定位器将隔热板（21）内部散热孔的圆心定位至封装基板（3）的顶端，对封装基板（3）顶端进行定位，再按照隔热板（21）内部散热孔的内壁形状尺寸对封装基板（3）顶端进行开槽，使得封装基板（3）顶端卡槽与隔热板（21）内部散热孔位于同一横向水平线，将开槽完成后的封装基板（3）进行清理，去除封装基板（3）外壁顶端颗粒物质与离子杂质；
步骤三，通过导热硅胶材料将合金散热棒（22）的顶端固定在隔热板（21）内部的散热孔内部，然后将散热箱（25）通过焊接粘贴法固定在合金散热棒（22）的外壁，再通过回流焊接技术将合金散热棒（22）焊接到副电机（13）上，在封装基板（3）内部卡槽中注射导热硅胶材料，将合金散热棒（22）粘接到封装基板（3）内部卡槽中，使得散热机构（2）与碳化硅功率器件（1）固定连接，散热机构（2）与封装基板（3）固定连接。
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