CN117238949A - 一种铜桥焊接的碳化硅功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体领域，公开一种铜桥焊接的碳化硅功率模块，功率模块包括芯片模组、冷却板，芯片模组包括一个或多个SiC‑IGBT芯片和DBC板，一个或多个SiC‑IGBT芯片通过铜桥焊接在DBC板上，DBC板铺设于冷却板上，SiC‑IGBT芯片包括上层结构和下层结构，上层结构由N+掺杂层、P+掺杂层、P‑Well层、CSL层和N‑drift层组成，下层结构由N缓冲层和P基底组成，N缓冲层上形成有SiC异质结；冷却板内形成有冷却通道，在冷却板上设置有DBC板和多个SiC‑IGBT芯片时，任意相邻两个芯片模组的下方的冷却通道形成弓字形。本发明基于在N缓冲层上形成的SiC异质结，形成天然电势井，使得芯片的开关性能得到增强；基于设置的弓字形的冷却通道，芯片的散热效率得到提高，进而整个功率模块可以高效稳定的运行。

Description

一种铜桥焊接的碳化硅功率模块

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种铜桥焊接的碳化硅功率模块。

背景技术

功率模块是一种电子器件，用于将电能从一个电源转换成所需的电力形式，以供给电子设备或电路。这些模块通常包含多种电子组件，如功率半导体器件、电感、电容器、散热器和封装等，以实现电能的转换、控制和分配。功率模块广泛应用于各种应用领域，包括工业、电子、通信、汽车、太阳能和风能系统等，以满足不同的电力要求。

随着科学技术的发展，人们越来越关注环境问题。SiC材料由于其优异的物理特性，包括更宽的带隙、更高的电子饱和率、更高的临界击穿电场和更好的导热性，在IGBT中得到广泛的应用。但基于现有的SiC-IGBT芯片结构，目前SiC材料的优化似乎已经达到了顶点，SiC-IGBT的动态特性、开关性能已经达到顶点。

以及，随着功率模块的更高功率的要求，其散热也面临着挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜桥焊接的碳化硅功率模块，以解决上述提及的问题。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种铜桥焊接的碳化硅功率模块，所述功率模块包括芯片模组、冷却板，所述芯片模组包括一个或多个SiC-IGBT芯片和DBC板，一个或多个所述SiC-IGBT芯片通过铜桥焊接在所述DBC板上，所述DBC板铺设于所述冷却板上，其中：

所述SiC-IGBT芯片包括上层结构和下层结构，所述上层结构由N+掺杂层、P+掺杂层、P-Well层、CSL层和N-drift层组成，所述下层结构由N缓冲层和P基底组成，所述N缓冲层上形成有SiC异质结；

所述冷却板内形成有冷却通道，在所述冷却板上设置有所述DBC板和多个所述SiC-IGBT芯片时，任意相邻两个所述芯片模组的下方的所述冷却通道形成弓字形，所述冷却通道的出口和入口位于所述冷却板的相同侧。

进一步的，所述SiC异质结为多晶硅通过化学气相沉积于所述N缓冲层表面后通过等离子体激活键合。

进一步的，所述N缓冲层在化学气相沉积前，通过光刻蚀沟槽以化学气相沉积所述多晶硅。

进一步的，所述上层结构和所述下层结构为各自独立生长完成后再键合一起的。

进一步的，所述冷却通道内设置有多组扰流组件，同一方向上的多组所述扰流组件等距设置。

进一步的，每组所述扰流组件中包括有多个等距设置的扰流柱，多个所述扰流柱从所述冷却通道内部的底面延伸至接触所述冷却通道内部的顶面，冷却水从两个所述扰流柱之间或所述扰流柱与所述冷却通道的内壁之间通过。

进一步的，所述扰流柱的平面呈椭圆形。

进一步的，所述冷却通道的拐弯位置上不设置所述扰流组件。

本公开的技术方案具有以下有益效果：

基于在N缓冲层上形成的SiC异质结，形成天然电势井，有助于在关断过程中存储多余的载流子，使得碳化硅中的载流子更倾向于流入SiC异质结中，因此，芯片的开关性能得到增强；

基于设置的弓字形的冷却通道，芯片的散热效率得到提高，进而整个功率模块可以高效稳定的运行。

附图说明

图1是本发明的一种铜桥焊接的碳化硅功率模块的结构图;

图2是本发明的SiC-IGBT芯片的截面图；

图3是本发明的冷却板的内部平面结构图；

图4是本发明的扰流组件的平面结构图。

其中，附图标注说明：

1、芯片模组；11、SiC-IGBT芯片；111、N+掺杂层；112、P+掺杂层；113、P-Well层；114、CSL层；115、N-drift层；116、N缓冲层；117、P基底；118、SiC异质结；12、DBC板；13、铜桥；2、冷却板；21、冷却通道；22、出口；23、入口；24、扰流组件；241、扰流柱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1-4所示，本说明书实施例提供一种铜桥13焊接的碳化硅功率模块，所述功率模块包括芯片模组1、冷却板2，所述芯片模组1包括一个或多个SiC-IGBT芯片11和DBC板12，一个或多个所述SiC-IGBT芯片11通过铜桥13焊接在所述DBC板12上，所述DBC板12铺设于所述冷却板2上。

如图2所示，所述SiC-IGBT芯片11包括上层结构和下层结构，所述上层结构由N+掺杂层、P+掺杂层、P-Well层113、CSL层114和N-drift层115组成，所述下层结构由N缓冲层116和P基底117组成，所述N缓冲层116上形成有SiC异质结118。

其中，SiC-IGBT芯片11采用上层结构和下层结构，在生产时，可以分别对上层结构和下层结构进行生产，例如，上层结构可以从N+掺杂层开始，通过化学气相沉积生长、掺杂等工艺形成上层结构，并经过化学机械抛光去除多余的材料（如N+衬底），类似地，下层结构从N+缓冲层开始生长形成下层结构，具体也可以是化学气相沉积工艺，然后通过光刻蚀出容纳SiC异质结118的沟槽，然后化学气相沉积形成SiC异质结118，SiC异质结118具体包括一种多晶硅，如4H–SiC/Si，SiC异质结118经过化学气相沉积后，同样通过化学机械抛光去除多余的材料（如掩模和多余的硅），最后，SiC异质结118通过离子体键合于上层结构，同时上层结构和下层结构的其他位置也通过离子体键合形成最终的IGBT芯片。当中，芯片经过三次化学气相沉积即离子注入形成，可以获得更好的沟道电子迁移率，从而改善正向压降并抑制P井/N漂移结的耗尽，以获得更好的沟道电子迁移率。基于设置的SiC异质结118，使得芯片具有更好的动态特性和相似的正向电压能力。在现有技术中，芯片的开关特性的主要问题是漂移区和缓冲层部分中存在过量载流子抑制耗尽层的扩展，因此，基于设置的SiC异质结118，可以提取多余的载流子，即碳化硅中的载流子更倾向于流入多晶硅中，因为多晶硅的带隙比碳化硅小得多，同时，由于多晶硅具有更小的带隙和更高的载流子浓度，芯片的复合率得到提高。因此，可以在多晶硅区域内实现增强的复合和多余载流子的存储，从而有效改善关断特性，同时保持类似的导通状态特性。

如图3所示，所述冷却板2内形成有冷却通道21，在所述冷却板2上设置有所述DBC板12和多个所述SiC-IGBT芯片11时，任意相邻两个所述芯片模组1的下方的所述冷却通道21形成弓字形，所述冷却通道21的出口22和入口23位于所述冷却板2的相同侧。

具体地，所述冷却通道21内设置有多组扰流组件24，同一方向上的多组所述扰流组件24，每组所述扰流组件24中包括有多个等距设置的扰流柱241，多个所述扰流柱241从所述冷却通道21内部的底面延伸至接触所述冷却通道21内部的顶面，冷却水从两个所述扰流柱241之间或所述扰流柱241与所述冷却通道21的内壁之间通过。

其中，传统的冷却板2的冷却通道21内没有设置有扰流组件24，冷却水未与冷却通道21充分接触，其冷却水的冷却作用未得到充分的发挥，造成冷却效率低下，即将冷却水流比喻为水柱，水柱的外表面与冷却板2热交换后升温，由于热传递需要时间，水柱的内部未能及时升温便被排出。

在本发明中，在传统的S形流道的基础上，设置的多种扰流组件24和扰流组件24中的多个扰流柱241，以提高其传导热能力。流经冷却通道21的冷却水受到冷却通道21内设置的扰流柱241的扰动，增强了冷却水的紊流效果，增大了水冷板的导热系数，增加了其导热能力。具体的，当冷却水在冷却通道21中流动时，其遇到扰流柱241后，会被扰流柱241打乱，使得冷却水中的热部分和冷部分打乱后重新融合，使得冷却水的温度更加均匀，进而，散热效率更高。

在一实施方式中，如图4所示，所述扰流柱241的平面呈椭圆形。其中，扰流柱241的目的是为了对冷却水形成紊流效果，同时尽量不要降低水流的流速，因此，将扰流柱241设置成椭圆形，降低水流的受到的阻力。

在一实施方式中，所述冷却通道21的拐弯位置上不设置所述扰流组件24，当冷却水来到冷却通道21的拐弯位置后，可以对冷却水进行重新分配，即没有了扰流柱241的阻挡，冷却水重新融为一体，冷却水中的冷部分和热部分得到充分混合，然后再重新分配进入到下一个扰流组件24中，使得散热效率得到提高。

效果说明：

由上述实施例得知，本发明基于在N缓冲层116上形成的SiC异质结118，形成天然电势井，有助于在关断过程中存储多余的载流子，使得碳化硅中的载流子更倾向于流入SiC异质结118中，因此，芯片的开关性能得到增强；

基于设置的弓字形的冷却通道21和设置与冷却通道21中扰流组件24，芯片的散热效率得到提高，并配合上本发明的SiC-IGBT芯片11，使得整个功率模块的性能得到提高，并可以高效稳定的运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述功率模块包括芯片模组、冷却板，所述芯片模组包括一个或多个SiC-IGBT芯片和DBC板，一个或多个所述SiC-IGBT芯片通过铜桥焊接在所述DBC板上，所述DBC板铺设于所述冷却板上，其中：

所述SiC-IGBT芯片包括上层结构和下层结构，所述上层结构由N+掺杂层、P+掺杂层、P-Well层、CSL层和N-drift层组成，所述下层结构由N缓冲层和P基底组成，所述N缓冲层上形成有SiC异质结；

所述冷却板内形成有冷却通道，在所述冷却板上设置有所述DBC板和多个所述SiC-IGBT芯片时，任意相邻两个所述芯片模组的下方的所述冷却通道形成弓字形，所述冷却通道的出口和入口位于所述冷却板的相同侧。

2.根据权利要求1所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述SiC异质结为多晶硅通过化学气相沉积于所述N缓冲层表面后通过等离子体激活键合。

3.根据权利要求2所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述N缓冲层在化学气相沉积前，通过光刻蚀沟槽以化学气相沉积所述多晶硅。

4.根据权利要求1所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述上层结构和所述下层结构为各自独立生长完成后再键合一起的。

5.根据权利要求1所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述冷却通道内设置有多组扰流组件，同一方向上的多组所述扰流组件等距设置。

6.根据权利要求5所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，每组所述扰流组件中包括有多个等距设置的扰流柱，多个所述扰流柱从所述冷却通道内部的底面延伸至接触所述冷却通道内部的顶面，冷却水从两个所述扰流柱之间或所述扰流柱与所述冷却通道的内壁之间通过。

7.根据权利要求6所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述扰流柱的平面呈椭圆形。

8.根据权利要求5所述的铜桥焊接的碳化硅功率模块，其特征在于，所述冷却通道的拐弯位置上不设置所述扰流组件。