CN117334689B - 一种高温宽禁带功率模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温宽禁带功率模块及其制备方法。本发明的高温宽禁带功率模块，腔体内设有覆盖SiC功率芯片的Parylene‑HT薄膜层，在Parylene‑HT薄膜层表面设有无机薄膜层，无机薄膜层与Parylene‑HT薄膜层复合形成耐高温强绝缘的保型涂层；本发明所用的复合保型涂层热膨胀系数远低于有机硅凝胶，其厚度也远小于有机硅凝胶，使得高温下保型涂层引入的热机械应力远低于有机硅凝胶，延长了键合线寿命，提升了模块的工作稳定性；同时，本发明采用气密密封的方法对外壳密封，气密封装阻挡了外界的水氧和化学污染，缓解了保型涂层热降解的速率，使得保型涂层长期保持高温绝缘能力，进一步提升了模块的工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体模块封装技术领域，尤其涉及一种高温宽禁带功率模块及其制备方法。
背景技术
模块高温宽禁带功率模块由于其高临界电场，高热导率，低导通电阻，高开关速度和低开关损耗等优势，在航空航天、电动汽车、能源勘探等诸多工作环境恶劣的领域有着广阔的应用前景。为了充分发挥宽禁带模块高温高压下运行的能力，宽禁带功率模块封装技术正朝着耐高温、耐高压、高可靠的方向发展。
通常，为保证功率模块长期可靠运行，需要对内部电路进行灌封或者注塑，以保证各电路组件间的电气绝缘、提供机械防护、防止外界化学污染等。目前，商用分立模块多采用环氧模塑料进行注塑塑封，商用功率模块大多使用有机硅凝胶进行灌封。环氧模塑料难以耐受200度以上的高温，且由于其常温下呈现固态，在温度循环过程中会给键合线造成较大应力。同时大体积的环氧模塑料在反复温度循环工作过程中有开裂导致绝缘防污能力失效的风险。而有机硅凝胶理论耐受温度可达250度，且其在25度到225度温度范围内有着良好的性能：1.能够提供有效电气绝缘，同时对于外界的化学腐蚀有良好的抵抗作用。2.硅凝胶的玻璃化温度低，在常温下呈现柔软的凝胶态，这使得硅凝胶在通常的温度循环工作过程中不会给键合线造成太大应力，有益于商用功率模块长期工作的可靠性。
然而，有机硅凝胶难以为运行于250度以上极端高温工况的功率模块提供长期有效保护：1.有机硅凝胶随着温度的升高而膨胀，这导致其介电强度随温度升高而下降。在极端高温下，有机硅凝胶绝缘能力显著弱于其常温下的绝缘能力，绝缘效果变差。2.硅凝胶在极端高温下的严重膨胀会使得水氧及化学污染透过灌封层进入到内部电路，导致模块内部电路被外界水氧及离子腐蚀。3.有机硅凝胶是一种有机物，工作温度越接近材料理论耐受温度其降解速度越快，因此在250度以上极端高温工况下热降解严重；且由于商用功率模块中灌封材料通常直接暴露在空气中，水氧进一步促进了有机硅凝胶的热降解。4.随着服役于极端高温工况时间的增加，有机硅凝胶交联密度逐渐上升，胶体发生硬化，硬化以及高温下剧烈的热膨胀将会给键合线造成应力危害；同时反复的极端高低温温度循环将导致硬化后的胶体严重开裂，丧失绝缘防污及机械保护能力。
为了解决上述问题，设计一种能为250度以上极端高温工况以及宽温度循环工况提供长期有效绝缘、机械保护以及防止外部污染的高温宽禁带功率模块显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高温宽禁带功率模块及其制备方法，以解决现有技术中存在的缺陷。
第一方面，本发明提供了一种高温宽禁带功率模块，包括：
腔体，其内设有SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片，所述腔体外侧设有引线端子，所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片均分别电连接所述引线端子；
Parylene-HT薄膜层，其位于所述腔体内并覆盖所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片；
无机薄膜层，其位于所述Parylene-HT薄膜层上。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块，所述无机薄膜层的材料为氧化铝或氧化硅。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块，所述Parylene-HT薄膜层的厚度为5～15μm。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块，所述无机薄膜层的厚度为80～100nm。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块，所述腔体外周面还设有金涂层或镍涂层。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块，所述腔体包括：
外壳，所述外壳内部中空，所述外壳一侧敞口；
密封板，其盖设于所述外壳敞口一侧并密封所述外壳；
所述外壳内设有基板，所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片均焊接于所述基板上；
所述引线端子位于所述外壳外侧。
第二方面，本发明还提供了一种所述的模块高温宽禁带功率模块的制备方法，包括以下步骤：
提供外壳，所述外壳内设有基板，所述外壳外侧设有引线端子；
分别将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片焊接于所述基板上；
将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片与引线端子电连接；
在所述外壳内沉积Parylene-HT薄膜，以得到Parylene-HT薄膜层，所述Parylene-HT薄膜层覆盖所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片；
在所述Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜，以得到无机薄膜层；
在惰性气体保护下或真空环境下，将密封板气密密封至外壳上以对所述外壳密封。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块的制备方法，以氟代二聚对二甲苯为原料，采用化学气相沉积法在所述外壳内沉积Parylene-HT薄膜。
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块的制备方法，以氧化铝或氧化硅为靶材，采用磁控溅射法在所述Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜；
优选的是，所述的模块高温宽禁带功率模块的制备方法，在氮气环境下，采用平行缝焊法，将密封板气密密封至外壳上以对所述外壳密封。
优选的是，所述的高温宽禁带功率模块的制备方法，还包括，在所述外壳以及所述密封板表面沉积金涂层或镍涂层。
本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明的高温宽禁带功率模块，腔体内设有Parylene-HT薄膜层，Parylene-HT薄膜层覆盖SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片，在Parylene-HT薄膜层表面设有无机薄膜层，无机薄膜层与Parylene-HT薄膜层复合形成耐高温强绝缘的保型涂层；本发明所用的Parylene-HT薄膜层有着比硅凝胶低得多的热膨胀系数，且本发明在Parylene-HT薄膜层表面设有无机薄膜层，进一步降低了复合保型涂层的热膨胀系数，使得高温下保型涂层膨胀程度远低于硅凝胶；同时，本发明的Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性能会略微下降，但相比有机硅凝胶，Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性能没有机硅凝胶下降的多；而且本发明的采用气密密封的方法将密封板焊接至外壳上以对外壳密封，气密封装为内部电路提供机械防护，阻挡了外界的水氧和化学污染，缓解了保型涂层的热降解，进一步提升了模块的工作稳定性；
2、本发明的高温宽禁带功率模块的制备方法，通过化学气相沉积法(CVD法)在功率模块的外壳内表面、基板、SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片表面蒸镀一层Parylene-HT薄膜(薄膜厚度由模块电压等级决定)；随后，通过磁控溅射法在Parylene-HT薄膜的表面沉积一层约90nm的高度致密的无机薄膜层；本发明的高温宽禁带功率模块的制备方法，能有效克服传统有机硅凝胶灌封的缺点：Parylene-HT薄膜有着比硅凝胶低得多的热膨胀系数，且本发明在Parylene-HT薄膜上沉积了致密的无机薄膜，进一步降低了复合保型涂层的热膨胀系数，使得高温下保型涂层膨胀程度远低于硅凝胶；本发明的Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性能会略微下降，但相比有机硅凝胶，Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性没有机硅凝胶下降的多；而且本发明的采用气密密封的方法将密封板焊接至外壳上以对外壳密封；气密封装为内部电路提供机械防护，阻挡了外界的水氧和化学污染，缓解了保型涂层的热降解，进一步提升了模块的工作稳定性；进一步的，本发明通过平行缝焊以及外部镀金，保证焊缝长期运行不受腐蚀，从而保证气密性，从而避免了内部电路受到腐蚀，最终保证内部电路的稳定；尽管Parylene-HT作为有机物，高温下不可避免的会发生降解，但是其理论耐受温度(450度)远高于硅凝胶的理论耐受温度(250度)，且有研究证明其能长期(1000小时以上)工作于350度高温，故而其在250度以上的温度工作时降解速率远低于硅凝胶的降解速率；此外，通过沉积无机薄膜层对其进行改性，降低了其热降解速度；同时由于Parylene-HT处于氮气气密外壳内，免受外界水氧及化学物质的污染，热降解速率进一步下降。总体而言，在250度以上工况运行时，本发明制备得到的封装结构有着远高于传统硅凝胶灌封的化学稳定性，保障了高温宽禁带功率模块长期高温运行的绝缘能力；保型涂层为化学性质稳定的十微米级薄层，在长期的温度循环过程中对键合线产生极其轻微的热机械应力，保障了高温宽禁带功率模块长期宽温度范围运行的可靠性。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。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为本发明的高温宽禁带功率模块的结构示意图；
图2为本发明的Parylene-HT薄膜层、无机薄膜层的连接示意图；
图3为本发明的外壳和密封板的结构示意图；
图4为本发明的外壳和SiC MOSFET芯片、SiC SBD芯片的连接示意图；
图5为本发明的SiC MOSFET芯片、SiC SBD芯片和基板的连接示意图；
图6为本发明的基板的结构示意图；
图7为本发明的SiC MOSFET芯片、SiC SBD芯片和引线端子连接示意图；
图8为本发明的高温宽禁带功率模块的爆炸示意图；
图9为实施例1中高温宽禁带功率模块中封装的SiC MOSFET宽温度电阻特性图；
图10为实施例1中高温宽禁带功率模块中封装的SiC MOSFET宽温度输出特性图；
图11为实施例1中制备得到的高温宽禁带功率模块的动态开关特性测试结果图；
图12为冲击过程中有机硅凝胶灌封的模块的外观变化图；
图13为冲击前后实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块的外观变化图；
图14为在冲击过程中有机硅凝胶灌封的模块以及实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块的导通电阻变化；
图15为实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块在500次冲击后的绝缘能力；
图16为实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块连续运行实验测试BUCK电路图；
图17为实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块连续运行测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。另外，在本申请的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。
本申请实施例提供了一种高温宽禁带功率模块，如图1～8所示，包括：
腔体1，其内设有SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3，腔体外侧设有引线端子，SiCMOSFET芯片2和SiC SBD芯片3均分别电连接引线端子6；
Parylene-HT薄膜层4，其位于腔体内并覆盖SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3；
无机薄膜层5，其位于Parylene-HT薄膜层4上。
需要说明的是，本发明的高温宽禁带功率模块，包括腔体1、SiC MOSFET芯片2、SiCSBD芯片3，SiC MOSFET芯片2、SiC SBD芯片3均位于腔体1内，SiC MOSFET芯片2、SiC SBD芯片3均为现有常规市售芯片，本发明并未对SiC MOSFET芯片2、SiC SBD芯片3进行改进；SiCMOSFET芯片2和SiC SBD芯片3均分别电连接引线端子6，以使引线端子6与SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3内部电路电连接。腔体1内设有Parylene-HT薄膜层4，Parylene-HT薄膜层4覆盖SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3，在Parylene-HT薄膜层4表面设有无机薄膜层5，无机薄膜层5与Parylene-HT薄膜层4复合形成耐高温强绝缘的保型涂层；本发明所用的Parylene-HT薄膜层4有着比硅凝胶低得多的热膨胀系数，且本发明在Parylene-HT薄膜层4表面设有无机薄膜层5，进一步降低了复合保型涂层的热膨胀系数，使得高温下保型涂层膨胀程度远低于硅凝胶；本发明的Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性能会略微下降，但相比有机硅凝胶，Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性没有机硅凝胶下降的多。
在一些实施例中，无机薄膜层5的材料为氧化铝或氧化硅。
在一些实施例中，Parylene-HT薄膜层4的薄厚度由模块电压等级决定，具体的，Parylene-HT薄膜层4的厚度为5～15μm。
具体的，Parylene HT，产品名称为：派瑞林HT粉，中文名称：氟代二聚对二甲苯，中文别名：派瑞林，英文名称：Parylene HT。
在一些实施例中，无机薄膜层5的厚度为80～100nm。
在一些实施例中，腔体1外周面还设有金涂层或镍涂层。
在一些实施例中，腔体1包括：
外壳11，外壳11内部中空，外壳11一侧敞口；
密封板12，其盖设于外壳11敞口一侧并密封外壳。
SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3均位于外壳11内。
在一些实施例中，外壳11内设有基板7，SiC MOSFET芯片2和SiC SBD芯片3均焊接于基板7上。引线端子6位于外壳11外侧。
具体的，基板7为陶瓷基板，陶瓷基板上间隔设有铜片71，SiC MOSFET芯片2和SiCSBD芯片3分别焊接在铜片71上。
在一些实施例中，引线端子6包括栅极引线端子61、开尔文源极引线端子62、DC+引线端子63、DC-引线端子64、AC引线端子65；
其中，SiC MOSFET芯片2电连接栅极引线端子61、开尔文源极引线端子62；
SiC SBD芯片3电连接DC+引线端子63、DC-引线端子64、AC引线端子65。
具体的，将栅极引线端子61通过键合线连接到SiC MOSFET芯片2的栅极焊盘，将开尔文源极引线端子62通过键合线连接到SiC MOSFET芯片2的源极焊盘，将DC+引线端子63向下连接到SiC MOSFET芯片2漏极所在的基板7上的铜片；将DC-引线端子64通过键合线连接到SiC SBD芯片3的阳极焊盘，将AC引线端子65向下连接到SiC SBD芯片3的阴极所在的基板7上的铜片。在一些实施例中，SiC MOSFET芯片2具体为CREE CPM3-1200-0075A。
在一些实施例中，SiC SBD芯片3具体为ROHM S6306。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种上述的高温宽禁带功率模块的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供外壳，外壳内设有基板，外壳外侧设有引线端子；
S2、分别将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片焊接于基板上；
S3、将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片与引线端子电连接；
S4、在外壳内沉积Parylene-HT薄膜，以得到Parylene-HT薄膜层，Parylene-HT薄膜层覆盖SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片；
S5、在Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜，以得到无机薄膜层；
S6、在惰性气体保护下或真空环境下，将密封板气密密封至至外壳上以对外壳密封。
在一些实施例中，采用气密密封的方法将密封板焊接至外壳上以对外壳密封。
在一些实施例中，在氮气环境下，采用平行缝焊法，将密封板气密密封至外壳上以对外壳密封。
在一些实施例中，以氟代二聚对二甲苯为原料，采用化学气相沉积法在外壳内沉积Parylene-HT薄膜。
具体的，采用化学气相沉积法在外壳内沉积Parylene-HT薄膜，CVD法沉积得到Parylene-HT薄膜的工艺流程：在150-175℃，Parylene二聚体固体汽化成Parylene二聚体气体；随后在650-690℃，Parylene二聚体气体热解成单体气体；最后在室温下，单体沉积在外壳内形成Parylene-HT薄膜，并覆盖基板、SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片。在一些实施例中，以氧化铝或氧化硅为靶材，采用磁控溅射法在Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜。
具体的，采用磁控溅射法制备氧化铝薄膜或氧化硅薄膜的工艺流程为：靶材采用高纯氧化铝靶或氧化硅靶，在50～100W溅射功率下溅射2～4小时在Parylene-HT薄膜表面形成致密的氧化铝薄膜或氧化硅薄膜。
在一些实施例中，高温宽禁带功率模块的制备方法，还包括，在外壳以及密封板表面沉积金层。
具体的，引线端子表面也沉积有金涂层或镍涂层，采用电镀沉积得到金涂层或镍涂层，外壳表面沉积的金涂层或镍涂层可以防止焊缝腐蚀，同时增强可焊性。
具体的，在惰性气体保护下或真空环境下，将密封板焊接至外壳上以对外壳密封，其中，惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氖气、氩气等，优选为氮气，在氮气环境中采用平行缝焊方法进行气密密封。可以理解的是，由于在惰性气体下进行气密封焊，密封板焊封至外壳上后，外壳内填充有一定量的惰性气体，比如氮气。
具体的，外部引线端子穿过金属外壳，通过键合线或其它电气互联方式将引线端子与SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片的内部电路连接；通过纳米银烧结或高温焊料真空回流焊将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片与基板相连；通过烧结或真空回流焊焊接方式将基板固定在外壳内；最终各部分组件之间形成可靠电气连接，构成一个完整的功率模块电气回路。本发明对功率模块的组件材质、拓扑结构、电流等级等均没有特殊要求，具有广泛的适用性。
本发明的核心在于：通过化学气相沉积法(CVD法)在功率模块的外壳内表面、基板、SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片表面蒸镀一层Parylene-HT薄膜(薄膜厚度由模块电压等级决定)；随后，通过磁控溅射法在Parylene-HT薄膜的表面沉积一层约的高度致密的无机薄膜层，材质可以是氧化铝或者氧化硅，无机薄膜与Parylene-HT薄膜复合形成耐高温强绝缘的保型涂层。随后在氮气或真空环境下对功率模块进行气密封焊，以保证功率模块各组件和保型涂层在工作时能处于稳定的氮气或真空环境下。最后，对完成气密封焊的金属外壳外表面镀金或镀镍，防止焊缝被腐蚀，同时增加引线端子的可焊性，便于其与外部电路连接。
本发明的高温宽禁带功率模块的制备方法，能有效克服传统有机硅凝胶灌封的缺点：1.Parylene-HT薄膜有着比硅凝胶低得多的热膨胀系数，且本发明在Parylene-HT薄膜上沉积了致密的无机薄膜，进一步降低了复合保型涂层的热膨胀系数，使得高温下保型涂层膨胀程度远低于硅凝胶，本发明的Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性能会略微下降，但相比有机硅凝胶，Parylene-HT薄膜层在高温下绝缘性没有机硅凝胶下降的多。2.气密封装为内部电路提供机械防护，阻挡了外界的水氧和化学污染，缓解了保型涂层的热降解，提升了模块的工作稳定性；进一步的，本发明通过平行缝焊以及外部镀金，保证焊缝长期运行不受腐蚀，从而保证气密性，从而避免了内部电路受到腐蚀，最终保证内部电路的稳定；3.尽管Parylene-HT作为有机物，高温下不可避免的会发生降解，但是其理论耐受温度(450度)远高于硅凝胶的理论耐受温度(250度)，且有研究证明其能长期(1000小时以上)工作于350度高温，故而其在250度以上的温度工作时降解速率远低于硅凝胶的降解速率；此外，通过沉积无机薄膜层对其进行改性，降低了其降解速度；同时由于Parylene-HT处于氮气气密外壳内，免受外界水氧及化学物质的污染，降解速率进一步下降。总体而言，在250度以上工况运行时，本发明制备得到的封装结构有着远高于传统有机硅凝胶灌封的化学稳定性，保障了高温宽禁带功率模块长期高温运行的绝缘能力。4.保型涂层为化学性质稳定的十微米级薄层，在长期的温度循环过程中对键合线产生极其轻微的热机械应力，保障了高温宽禁带功率模块长期宽温度范围运行的可靠性。5.通过对外壳镀金遮盖焊缝，能够有效防止焊缝的腐蚀，以及进一步阻止外界水氧及化学污染渗入气密腔体内部，保证了内部环境的长期稳定。
以下进一步以具体实施例说明本申请的高温宽禁带功率模块的制备方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本申请实施例提供了一种高温宽禁带功率模块的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供外壳，外壳一侧敞口，外壳内设有陶瓷基板(具体为氧化铍陶瓷基板)，外壳外侧设有引线端子；引线端子包括栅极引线端子、开尔文源极引线端子、DC+引线端子、DC-引线端子、AC引线端子；
S2、使用锡铅银焊料(熔点295度)通过真空回流焊法将SiC MOSFET芯片(具体为CREE CPM3-1200-0075A)与SiC SBD芯片(具体为ROHM S6306)分别焊接于陶瓷基板的两个铜片上；
S3、通过铝键合线分别将引线端子与SiC MOSFET芯片与SiC SBD芯片电连接；
其中，将栅极引线端子通过键合线连接到SiC MOSFET芯片的栅极焊盘，将开尔文源极引线端子通过键合线连接到SiC MOSFET芯片的源极焊盘，将DC+引线端子向下连接到SiC MOSFET芯片漏极所在的基板上的铜片；将DC-引线端子通过键合线连接到SiC SBD芯片的阳极焊盘，将AC引线端子向下连接到SiC SBD芯片的阴极所在的基板上的铜片；
S4、采用化学气相沉积法(CVD)在外壳内沉积Parylene-HT薄膜，以得到Parylene-HT薄膜层，Parylene-HT薄膜层覆盖SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片、陶瓷基板；Parylene-HT薄膜层的厚度为10μm；CVD法沉积Parylene-HT薄膜的工艺流程为：在160℃，Parylene二聚体固体汽化成Parylene二聚体气体；随后在670℃，Parylene二聚体气体热解成单体气体；最后在室温下，单体气体沉积在外壳内表面形成Parylene-HT薄膜；
S5、在Parylene-HT薄膜层表面沉积氧化铝薄膜，以得到无机薄膜层；氧化铝薄膜的厚度为90nm；磁控溅射法制备氧化铝薄膜的工艺流程为：靶材采用高纯氧化铝靶，在60W溅射功率下溅射3小时在Parylene-HT薄膜表面形成致密的氧化铝薄膜；
S6、在氮气环境中采用平行缝焊方法将密封板与外壳的敞口处进行气密封，以对外壳进行密封；
S7、在外壳以及密封板外表面电镀金。
性能测试
通过功率模块外部引线端子测量实施例1中封装的SiC MOSFET宽温度范围静态特性，结果如图9～10所示。
具体的，图9为SiC MOSFET宽温度电阻特性图，图10为SiC MOSFET宽温度输出特性图。
与数据手册(CREE CPM3-1200-0075A)进行对比可知，本发明的所用封装没有显著降低芯片性能。
搭建双脉冲测试平台(DPT)测试实施例1中制备得到的高温宽禁带功率模块的动态运行能力，测试电压为600V，测试电流为10A，测试温度为25度和250度，测试结果如图11所示。
从图11中可以看出，实施例1中制备得到的高温宽禁带功率模块具备在600V、250度下进行开关动作的能力。
搭建了-55度至250度的高低温冲击测试平台，对实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块进行长期可靠性测试，并使用硅凝胶灌封另一宽禁带功率模块(即制备过程中向外壳内灌入有机硅凝胶)作为对比，冲击次数设置为500次，每次冲击分别在冷热腔中各停留10min。冲击过程中有机硅凝胶灌封的模块的外观变化如图12所示。冲击前后实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块的外观变化如图13所示。
图13中，(a)为模块外壳气密封焊前内部视图，(b)为冲击老化前外观，(c)为冲击老化后外观，(d)为冲击老化后内部视图。
从图12中可以看出，有机硅凝胶灌封的模块在冲击过程中，胶体发生硬化、开裂并与模块组件剥离。冲击结束后用镊子将已经碎裂的胶体夹出，观察发现内部栅极键合线在冲击过程中脱落。
从图13中可以看出，实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块在冲击后，模块内部各部分结构完好且无明显变化。
在冲击过程中，对有机硅凝胶灌封的模块以及实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块的导通电阻进行监测(25℃下测试)，结果如图14所示。
图14中HCC表示实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块，R2188表示有机硅凝胶灌封的模块。
从图14中可以看出，实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块(HCC)导通电阻始终保持稳定，说明气密保型涂层封装方法封装的功率模块具备长期宽温度循环运行可靠性；而由于栅极键合线的脱落，有机硅凝胶灌封的模块(R2188)在冲击试验的中后期已经无法通过引线端子测得导通电阻值。
500次冲击后，测试了实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块的绝缘性能，如图15所示，1200V反压下漏电流小于30nA，表明其仍具备良好的绝缘性能。
对实施例1中气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块进行了600V、250度连续运行实验测试。
如图16所示，测试拓扑为BUCK降压电路，输入电压为直流电压，固态断路器SSCB在电路发生短路故障时进行保护，使用隔离驱动控制开关模块(即SiC MOSFET)的占空比(即导通时间占开关周期的比例)，可以控制输出直流电压大小，从而达到降压的效果。输入电压与输出电压的关系为：Vout＝D*Vin，其中，Vout为输出直流电压，Vin为输入直流电压，D表示占空比。该电路通过SiC MOSFET的导通损耗与开关损耗自加热将芯片结温升至250度以上，并保持连续运行，电路运行关键参数如下：开关频率10kHz，占空比22％，输入电压600V。由于芯片位于气密壳体内，无法通过红外热成像仪直接测量芯片结温，因此采用电参数法(基于导通电阻值)在导通过程中计算芯片结温，原理是通过图16中的结温测量电路板采集导通时SiC MOSFET芯片漏源电压VDS(ON)，使用连续电流探头采集导通电流Iload，通过上位机计算得到导通电阻值RDS(ON)，根据计算的电阻值RDS(ON)和导通电流值Iload查询实验前测得的导通电阻查询表，从而读取出当前的结温Tj。导通电阻查询表是在连续运行实验前，通过曲线追踪仪和热板测量模块得到电流-结温-电阻数据表，只要知道其中两个值，就能通过该表查询到第三个值。此外，使用红外热成像仪观察模块外壳温度Tcase，以佐证结温计算值的可靠性：模块工作在自然对流散热工况下，结-环境热阻约为二十度每瓦特，结-壳热阻约为一度每瓦特，芯片作为热源，热量从气密壳体内向外环境扩散，因此当芯片结温到达250度以上时，发热功率大约为十几瓦特，结-壳温差应该大约在二十度，通过对比测量得到的壳温和计算得到的结温，能够大致推断计算得到的结温数据是否可信。使用高压差分探头测量模块工作电压VDS，确认模块工作于600V电压工况。
实验结果如图17所示，热成像仪获取的高温宽禁带功率模块的外壳壳温为265度，电参数法计算得到的芯片实时结温比壳温高大约15度，为280度，表明此时功率模块内部的最高温度约为280度；采集到的电压波形显示模块在600V电压工况下连续运行，波形符合BUCK电路的断续电流运行模式工作波形。制备的高温宽禁带功率模块在250度以上高温和600V高压工况下连续运行15分钟未出现异常情况。实验结果表明，气密保型涂层封装的功率模块，具备在高温高压下连续运行的能力。
综上所述，-55度至250度冷热冲击实验验证了气密保型涂层确有远低于有机硅凝胶的热机械应力，具备长期宽温度范围运行的能力。600V、250度连续运行实验验证了气密保型涂层封装的高温宽禁带功率模块，具备在高温高压下连续运行的能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高温宽禁带功率模块的制备方法，其特征在于，所述高温宽禁带功率模块包括：
腔体，其内设有SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片，所述腔体外侧设有引线端子，所述SiCMOSFET芯片和SiC SBD芯片均分别电连接所述引线端子；
Parylene-HT薄膜层，其位于所述腔体内并覆盖所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片；
无机薄膜层，其位于所述Parylene-HT薄膜层上；
所述无机薄膜层的材料为氧化铝或氧化硅；
所述腔体外周面还设有金涂层或镍涂层；
所述Parylene-HT薄膜层的厚度为5~15μm；
所述无机薄膜层的厚度为80~100nm；
所述腔体包括：
外壳，所述外壳内部中空，所述外壳一侧敞口；
密封板，其盖设于所述外壳敞口一侧并密封所述外壳；
所述外壳内设有基板，所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片均焊接于所述基板上；
所述引线端子位于所述外壳外侧；
所述高温宽禁带功率模块的制备方法，包括以下步骤：
提供外壳，所述外壳内设有基板，所述外壳外侧设有引线端子；
分别将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片焊接于所述基板上；
将SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片与引线端子电连接；
在所述外壳内沉积Parylene-HT薄膜，以得到Parylene-HT薄膜层，所述Parylene-HT薄膜层覆盖所述SiC MOSFET芯片和SiC SBD芯片；
在所述Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜，以得到无机薄膜层；
在氮气环境下，采用平行缝焊法，将密封板气密密封至外壳上以对所述外壳密封；
还包括，在所述外壳以及所述密封板表面沉积金涂层或镍涂层；
引线端子包括栅极引线端子、开尔文源极引线端子、DC+引线端子、DC-引线端子、AC引线端子；
其中，SiC MOSFET芯片电连接栅极引线端子、开尔文源极引线端子；
SiC SBD芯片电连接DC+引线端子、DC-引线端子、AC引线端子；
将栅极引线端子通过键合线连接到SiC MOSFET芯片的栅极焊盘，将开尔文源极引线端子通过键合线连接到SiC MOSFET芯片的源极焊盘，将DC+引线端子向下连接到SiC MOSFET芯片漏极所在的基板上的铜片；将DC-引线端子通过键合线连接到SiC SBD芯片的阳极焊盘，将AC引线端子向下连接到SiC SBD芯片的阴极所在的基板上的铜片；
所述高温宽禁带功率模块能够经受-55℃~250℃下500次的高低温冲击测试并保持正常密封状态；在1200V反压下，漏电流小于30nA；并且在250℃以上高温和600V高压工况下连续运行15min并保持正常工作。
2.如权利要求1所述的高温宽禁带功率模块的制备方法，其特征在于，以氟代二聚对二甲苯为原料，采用化学气相沉积法在所述外壳内沉积Parylene-HT薄膜。
3.如权利要求1所述的高温宽禁带功率模块的制备方法，其特征在于，以氧化铝或氧化硅为靶材，采用磁控溅射法在所述Parylene-HT薄膜层表面沉积无机薄膜。
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