CN116364672A - 基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块及制备方法，包括第一底板、第二底板、功率铜面、驱动铜面、功率回路、第一驱动模块、第二驱动模块、第一解耦电容和第二解耦电容；第一底板和第二底板上均设置有功率铜面和驱动铜面，第一底板的功率铜面和第二底板的功率铜面之间设置有功率回路；第一底板的功率铜面上设置有第一解耦电容和第二解耦电容；第一底板的驱动铜面连接第一驱动模块，第二底板的驱动铜面连接有第二驱动模块。本发明功率模块内部集成解耦电容，并实现两个碳化硅功率半桥的并联。功率回路经过优化，功率换流回路寄生电感小于4nH，有效减小芯片开通关断过程中的过电压和电流震荡。同时优化驱动回路寄生电感，减小碳化硅芯片误开通现象。
Description
技术领域
本发明属于功率模块制备技术领域，特别涉及基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块及其制备方法。
背景技术
碳化硅(Silicon Carbide,SiC)功率器件作为宽禁带半导体的代表，因其高频、高热导率的优异特性，在功率半导体市场正逐步替代传统硅IGBT功率器件。但是，目前的大部分宽禁带半导体仍然沿用传统硅基半导体的封装集成方式，限制了其优异特性的发挥，是宽禁带半导体功率器件应用的瓶颈问题。碳化硅器件相比传统的硅器件拥有更高的开关速度，因而在开关过程中对寄生参数更加敏感。现有的芯片封装技术，会引发严重的过电压、电磁干扰等问题，造成电力电子开关器件损耗增加，器件可靠性变差，甚至引发器件损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块及其制备方法，以解决芯片封装技术不当，会引发严重的过电压、电磁干扰，造成电力电子开关器件损耗增加，器件可靠性变差，甚至引发器件损坏的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，包括第一底板、第二底板、功率铜面、驱动铜面、功率回路、第一驱动模块、第二驱动模块、第一解耦电容和第二解耦电容；第一底板和第二底板上均设置有功率铜面和驱动铜面，第一底板的功率铜面和第二底板的功率铜面之间设置有功率回路；第一底板的功率铜面上设置有第一解耦电容和第二解耦电容；第一底板的驱动铜面连接第一驱动模块，第二底板的驱动铜面连接有第二驱动模块。
进一步的，功率铜面包括第一功率铜面、第二功率铜面和第三功率铜面；第一功率铜面和第二功率铜面均设置在第一底板上，第三功率铜面设置在第二底板上；第一功率铜面呈U型，第二功率铜面设置在第一功率铜面的内侧。
进一步的，第一解耦电容和第二解耦电容均设置在第一功率铜面和第二功率铜面之间；第一功率铜面上设置有第一功率端子，第二功率铜面上还置有第二功率端子；第三功率铜面上设置有第三功率端子。
进一步的，功率回路包括第二功率芯片、第一功率芯片、第一功率垫块、第二功率垫块、第三功率芯片、第四功率芯片、第三功率垫块和第四功率垫块；第三功率芯片和第四功率芯片设置在第三功率铜面上，第三功率芯片和第四功率芯片分别通过第三功率垫块和第四功率垫块连接到第二功率铜面；第二功率芯片和第一功率芯片设置在第一功率铜面上，第二功率芯片和第一功率芯片分别通过第二功率垫块和第一功率垫块连接到第三功率铜面。
进一步的，驱动铜面包括第一驱动铜面和第二驱动铜面；第一驱动铜面设置在第一底板上，第二驱动铜面设置在第二底板上。
进一步的，第一驱动模块包括第一驱动端子、第二驱动端子、第一驱动印刷电路板、第一驱动芯片和第一供电电源模块；第一驱动铜面通过第一驱动端子和第二驱动端子连接到第一驱动印刷电路板，第一驱动芯片和第一供电电源模块设置在第一驱动印刷电路板上。
进一步的，第二驱动模块包括第三驱动端子、第四驱动端子、第二驱动芯片、第二供电电源模块和第二驱动印刷电路板；第二驱动铜面通过第三驱动端子和第四驱动端子连接到第二驱动印刷电路板，第二驱动芯片和第二供电电源模块设置在第二驱动印刷电路板上。
进一步的，第一底板和第二底板分别为第一陶瓷基板和第二陶瓷基板。
进一步的，第一底板和第二底板之间灌封绝缘材料。
进一步的，制备基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块的方法，包括以下步骤：
步骤1，通过钢网在第一陶瓷基板和第二陶瓷基板表面涂抹烧结材料；
步骤2，通过贴片机将功率芯片放置在陶瓷基板上，此后放入石墨夹具中，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；
步骤3，通过钢网在功率芯片表面涂抹烧结材料，通过石墨夹具将垫块和功率芯片固定，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；通过键合互连设备将功率芯片电极和驱动端子连接；
步骤4，通过钢网在垫块表面及陶瓷基板表面指定位置涂抹烧结材料，通过石墨夹具将双侧陶瓷基板、功率端子、功率解耦电容及驱动端子固定，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用专用的超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；
步骤5，在真空灌封炉中，灌封绝缘材料，通过贴片机将驱动芯片、解耦电容、电阻、驱动端子放置在驱动印刷电路板的指定位置；
步骤6，将印刷电路板放入真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结，采用超声清洗设备，清洗印刷电路板表面残留助焊剂；驱动印刷电路板和功率模块驱动端子连接。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明功率模块内部集成解耦电容，并实现两个碳化硅功率半桥的并联。功率回路经过优化，功率换流回路寄生电感小于4nH，有效减小芯片开通关断过程中的过电压和电流震荡。同时优化驱动回路寄生电感，减小碳化硅芯片误开通现象。高度对称设计的功率回路，保证并联回路的电流均衡。采用双面陶瓷基板散热，增加散热面积以减小模块热阻。
本模块适用于对功率密度要求高的场合，对新能源汽车电驱系统，工业用大功率伺服电机的节能减排具有重要作用，可以带来极大的经济效益，为碳化硅模块化封装的产业落地提供支持。
附图说明
图1是本发明的三维结构图拆分图；
图2是本发明的功率模块的电路原理图；
图3是本发明的半桥拓扑换流回路示意图；
图4是本发明的阐述的加工工艺流程图；
图5是石墨夹具和功率模块连接的示意图。
其中：
1.第一陶瓷基板；2.第一功率铜面；3.第二功率铜面；4.第一功率端子；5.第二功率端子；6.第一解耦电容；7.第一功率芯片；8.第一功率垫块；9.第二功率芯片；10.第二功率垫块；11.第一驱动铜面；12.第一驱动端子；13.第二驱动端子；14.第一驱动印刷电路板；15.第一驱动芯片；16.第一供电电源模块；17.第二解耦电容；18.第三功率端子；19.第二陶瓷基板；20.第三功率铜面；21.第三功率垫块；22.第三功率芯片；23.第四功率垫块；24.第四功率芯片；25.第二驱动铜面；26.第三驱动端子；27.第四驱动端子；28.第二驱动芯片；29.第二供电电源模块；30.第二驱动印刷电路板；31.固定用螺母；32.石墨夹具。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图5，功率模块第一功率铜面2和第一功率端子4、第一解耦电容6、第一功率芯片7、第二功率芯片9、第二解耦电容17连接。第二功率铜面3和第二功率端子5、第一解耦电容6、第二解耦电容17、第三功率垫块21、第四功率垫块23连接。第一功率芯片7和第一功率垫块8连接，第二功率芯片9和第二功率垫块10连接。第一驱动铜面11和第一驱动端子12、第二驱动端子13、第一功率芯片7、第二功率芯片9连接。第一驱动印刷电路板14和第一驱动端子12、第二驱动端子13、第一驱动芯片15、第一供电电源模块16连接。第一陶瓷基板1和第一功率铜面2、第二功率铜面3、第一驱动铜面11连接。
功率模块第三功率铜面20和第三功率端子18、第三功率芯片22、第四功率芯片24、第一功率垫块8、第二功率垫块10连接。第三功率芯片22和第三功率垫块21，第四功率芯片24和第四功率垫块23连接。第二驱动铜面25和第三驱动端子26、第四驱动端子27、第三功率芯片22、第四功率芯片24连接。第二驱动印刷电路板30和第三驱动端子26、第四驱动端子27、第二驱动芯片28、第二供电电源模块29连接。
本发明提出一种基于碳化硅功率芯片的双面散热的功率模块。封装的功率模块拥有寄生参数小、开关特性好以及热阻小的优良特性。
一种基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，包括功率回路、驱动回路、解耦电容、引线端子、导电金属垫块及绝缘陶瓷基板。功率回路由两个碳化硅芯片及解耦电容组成半桥电路，模块由两个碳化硅半桥并联。每个半桥电路通过驱动电路和驱动芯片连接。引出的端子用于外部电气信号连接。两侧的陶瓷提供绝缘及机械支撑的作用。功率模块内部灌封绝缘材料，以提升功率模块的绝缘等级。
功率回路双面的底板采用陶瓷基板，以获得更优的散热能力。功率回路内部拓扑采用基于碳化硅功率芯片的半桥电路。两个碳化硅半桥并联，功率芯片和解耦电容连接到双侧陶瓷基板的铜面上，为高频电流提供换流回路。驱动芯片引脚和功率芯片采用端子连接附近。驱动芯片周围放置对应的解耦电容以及驱动电阻，保证驱动芯片正常工作。
同时，本发明公开基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块的制备流程，以提高基于碳化硅功率芯片制备的双面散热的功率模块的可靠性。
为实现以上目的，加工工艺需要提供的材料及设备如下：
提供定制的陶瓷基板，提供商业化驱动芯片、功率芯片，提供驱动芯片外围电路需要的解耦电容、电阻，提供定制端子若干，提供为陶瓷基板在指定位置涂抹焊膏或者烧结材料的钢网，提供需要的焊膏或者烧结材料，提供商业化易挥发中强酸及无水乙醇，提供商业生产的真空加热炉，提供用于绝缘和机械支撑的灌封材料。
根据图4所示的加工工艺流程，工艺流程如下：
第一步，通过钢网在底部陶瓷基板表面涂抹烧结材料，钢网开具合适的厚度，保证焊料的连接并涂抹不过量。
第二步，通过贴片机将碳化硅功率芯片放置在陶瓷基板的指定位置。此后放入定制化的石墨夹具中，在商业化的真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接或烧结。
第三步，采用专用的超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂。
第四步，通过钢网在功率芯片表面涂抹烧结材料，钢网开具合适的厚度，保证焊锡可完成端子的焊接并涂抹不过量。
第五步，通过石墨夹具将金属垫块和功率芯片固定，在商业化的真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接或烧结。
第六步，采用专用的超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂。
第七步，通过键合互连设备将功率芯片电极和驱动端子连接。
第八步，通过钢网在底部陶瓷基板表面涂抹焊接材料，钢网开具合适的厚度，保证焊锡可完成端子的焊接并涂抹不过量。
第九步，通过石墨夹具将双侧陶瓷基板、功率端子、功率解耦电容及驱动端子固定，在商业化的真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接或烧结。
第十步，采用专用的超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂。
第十一步，在真空灌封炉中，向模块灌封绝缘材料，用于机械支撑及提升绝缘强度。
第十二步，通过贴片机将驱动芯片、解耦电容、电阻、驱动端子放置在驱动印刷电路板的指定位置。
第十三步，通将印刷电路板放入商业化的真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接或烧结。采用专用的超声清洗设备，清洗印刷电路板表面残留助焊剂。
第十四步，连接驱动印刷电路板和功率模块驱动端子，对模块进行系列电特性及可靠性测试。
本模块中使用的功率芯片，驱动芯片及外围无源器件，陶瓷基板，印刷电路板都为商业化产品。本申请中提及的模块的结构仅仅是工艺的实例而非限制。图1-图5所展示的模块内部结构仅仅是为了方便说明本专利设计的加工工艺和流程，而非限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，包括第一底板、第二底板、功率铜面、驱动铜面、功率回路、第一驱动模块、第二驱动模块、第一解耦电容(6)和第二解耦电容(17)；第一底板和第二底板上均设置有功率铜面和驱动铜面，第一底板的功率铜面和第二底板的功率铜面之间设置有功率回路；第一底板的功率铜面上设置有第一解耦电容(6)和第二解耦电容(17)；第一底板的驱动铜面连接第一驱动模块，第二底板的驱动铜面连接有第二驱动模块。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，功率铜面包括第一功率铜面(2)、第二功率铜面(3)和第三功率铜面(20)；第一功率铜面(2)和第二功率铜面(3)均设置在第一底板上，第三功率铜面(20)设置在第二底板上；第一功率铜面(2)呈U型，第二功率铜面(3)设置在第一功率铜面(2)的内侧。
3.根据权利要求2所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，第一解耦电容(6)和第二解耦电容(17)均设置在第一功率铜面(2)和第二功率铜面(3)之间；第一功率铜面(2)上设置有第一功率端子(4)，第二功率铜面(3)上还置有第二功率端子(5)；第三功率铜面(20)上设置有第三功率端子(18)。
4.根据权利要求2所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，功率回路包括第二功率芯片(9)、第一功率芯片(7)、第一功率垫块(8)、第二功率垫块(10)、第三功率芯片(22)、第四功率芯片(24)、第三功率垫块(21)和第四功率垫块(23)；第三功率芯片(22)和第四功率芯片(24)设置在第三功率铜面(20)上，第三功率芯片(22)和第四功率芯片(24)分别通过第三功率垫块(21)和第四功率垫块(23)连接到第二功率铜面(3)；第二功率芯片(9)和第一功率芯片(7)设置在第一功率铜面(2)上，第二功率芯片(9)和第一功率芯片(7)分别通过第二功率垫块(10)和第一功率垫块(8)连接到第三功率铜面(20)。
5.根据权利要求1所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，驱动铜面包括第一驱动铜面(11)和第二驱动铜面(25)；第一驱动铜面(11)设置在第一底板上，第二驱动铜面(25)设置在第二底板上。
6.根据权利要求5所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，第一驱动模块包括第一驱动端子(12)、第二驱动端子(13)、第一驱动印刷电路板(14)、第一驱动芯片(15)和第一供电电源模块(16)；第一驱动铜面(11)通过第一驱动端子(12)和第二驱动端子(13)连接到第一驱动印刷电路板(14)，第一驱动芯片(15)和第一供电电源模块(16)设置在第一驱动印刷电路板(14)上。
7.根据权利要求5所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，第二驱动模块包括第三驱动端子(26)、第四驱动端子(27)、第二驱动芯片(28)、第二供电电源模块(29)和第二驱动印刷电路板(30)；第二驱动铜面(25)通过第三驱动端子(26)和第四驱动端子(27)连接到第二驱动印刷电路板(30)，第二驱动芯片(28)和第二供电电源模块(29)设置在第二驱动印刷电路板(30)上。
8.根据权利要求1所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，第一底板和第二底板分别为第一陶瓷基板(1)和第二陶瓷基板(19)。
9.根据权利要求1所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，其特征在于，第一底板和第二底板之间灌封绝缘材料。
10.制备基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块的方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的基于碳化硅功率芯片的双面散热功率模块，包括以下步骤：
步骤1，通过钢网在第一陶瓷基板和第二陶瓷基板表面涂抹烧结材料；
步骤2，通过贴片机将功率芯片放置在陶瓷基板上，此后放入石墨夹具中，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；
步骤3，通过钢网在功率芯片表面涂抹烧结材料，通过石墨夹具将垫块和功率芯片固定，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；通过键合互连设备将功率芯片电极和驱动端子连接；
步骤4，通过钢网在垫块表面及陶瓷基板表面指定位置涂抹烧结材料，通过石墨夹具将双侧陶瓷基板、功率端子、功率解耦电容及驱动端子固定，在真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结；采用专用的超声清洗设备，清洗模块表面残留助焊剂；
步骤5，在真空灌封炉中，灌封绝缘材料，通过贴片机将驱动芯片、解耦电容、电阻、驱动端子放置在驱动印刷电路板的指定位置；
步骤6，将印刷电路板放入真空焊接炉中，进行真空焊接或烧结，采用超声清洗设备，清洗印刷电路板表面残留助焊剂；驱动印刷电路板和功率模块驱动端子连接。
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