CN116314170A - 一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件封装集成技术领域,具体为一种低寄生电感高散热性能的SiC双面冷却模块。
背景技术
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。
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。
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。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明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。
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;
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;
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;
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;
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。
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。
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。
优选的,功率端子正极和功率端子负极位于同一侧。
优选的,交流端子与功率端子正极的朝向相反。
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。
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。
优选的,功率回路金属柱采用金属铜或者金属钼制备。
优选的,该模块的内部空隙采用硅凝胶进行灌封。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明采用多层堆叠双面结构,一共分为三层,每层均为Cu-Al2 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。
本发明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。
本发明集成了四芯片并联,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
图1为本发明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;
图2为本发明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;
图3为本发明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;
图4为本发明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;
图5为本发明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;
图6为本发明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。
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
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。
本发明公开了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。本实施例中。顶层DBC基板、中间层DBC基板和底层DBC基板均采用Cu-Al_2O_3-Cu结构的材料制作,铜层厚度0.3mm,中间陶瓷层厚度0.64mm。
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,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。其中,交流端子3、功率端子正极1、功率端子负极2和金属基板9均采用紫铜材料制作,功率端子正极1和功率端子负极2位于同一侧,交流端子3与功率端子正极1的朝向相反。
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。其中,上半桥碳化硅MOS芯片4和下半桥碳化硅MOS芯片4均包括四个并联的碳化硅MOS芯片4,且每个半桥的四个并联碳化硅MOS芯片4均与两个反并联SBD二极管5并联。其中,功率回路金属柱6采用金属铜或者金属钼制备。
上半桥碳化硅MOS芯片4的栅极驱动端和下半桥碳化硅MOS芯片4的栅极驱动端设有驱动回路金属柱7,用于实现驱动回路的连接。
受模块体积所限,该模块采用对称分布;为保证模块可靠性与绝缘强度,采用硅凝胶灌封模块内部间隙。
模块整体电流回路从底层流向顶层再流回底层,最后通过负极通孔结构8实现电流从底层流向中间层负极端子的电流通路,金属基板9与底层DBC基板和顶层DBC基板互连以实现双面散热路径。
由于采用垂直换流双面结构,优化了换流回路路径,因此以Cree的商用62mm封装为例,本发明总体尺寸仅为62mm封装的50%。经MAXWELL仿真可知,在上半桥导通时,该模块可以承受3.3kV耐压和100A工作电流,陶瓷最大表面场强为1.4×106V·m-1,表面最大电流密度仅为4.3×106A/m2。通过Q3D仿真可知,模块总体功率回路寄生电感为1.4nH。在散热方面,为达到良好的散热效果需要在金属基板底部加装散热器,通过ICEPAK仿真可知,采用强迫风冷散热方式,风机转速设置为6m/s,平均每片芯片损耗70W的工况下,加上散热器之后模块整体散热效果良好。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例,并不用以对本发明的技术方案进行任何限制,本领域技术人员应当理解的是,在不脱离本发明精神和原则的前提下,该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换,这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (9)
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)均包括四个并联的碳化硅MOS芯片(4)。
3.根据权利要求2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,每个半桥的四个并联碳化硅MOS芯片(4)均与两个反并联SBD二极管(5)并联。
4.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,功率端子正极(1)和功率端子负极(2)位于同一侧。
5.根据权利要求4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,交流端子(3)与功率端子正极(1)的朝向相反。
6.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,顶层DBC基板、中间层DBC基板和底层DBC基板均采用Cu-Al_2O_3-Cu结构的材料制作。
7.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,交流端子(3)、功率端子正极(1)、功率端子负极(2)和金属基板(9)均采用紫铜材料制作。
8.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,功率回路金属柱(6)采用金属铜或者金属钼制备。
9.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,该模块的内部空隙采用硅凝胶进行灌封。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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