CN112864103A - 一种可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，陶瓷外壳内设置有第一镀金的金属化芯区及第二镀金的金属化芯区，第一镀金的金属化芯区上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金的金属化芯区上设置有下桥臂半导体芯片；陶瓷外壳的端面上设置有凹槽结构，引片结构***于凹槽结构内，且引片结构与陶瓷外壳之间通过密封件密封，引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，陶瓷外壳内部为真空结构或者充有惰性气体。该结构具有低成本、高可靠性、低寄生参数及耐高温的特点。
Description
技术领域
本发明属于半导体封装技术领域，涉及一种可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构。
背景技术
近年来，随着第三代宽禁带半导体器件制造技术和应用技术快速发展，碳化硅器件以其材料高热导率和禁带宽度的巨大优势，使得由其组成的变换器更适合在航空航天、能源发展等高温应用场合稳定工作。然而，碳化硅器件在高温下的应用极大的受到封装材料与结构的限制，其实际可耐受温度远远低于理论温度，这极大的限制了碳化硅器件在高温应用场合的发展。并且，在实际应用中，单个碳化硅裸片难以满足功率需求，实际应用中通常采用多芯片并联和模块间级联来实现功率扩充。因此，我们迫切需要一种可多芯片集成的，耐高温、大功率、低寄生参数、易级联的封装结构来充分发挥碳化硅器件在高温下的性能优势。
现有的碳化硅器件封装结构主要可分为三类，第一类是塑料封装，芯片通过锡焊与封装外壳连接，通过硅凝胶等材料进行绝缘，封装成本低，工艺简单。第二类是金属封装，芯片通过锡焊等方法与金属封装外壳连接，通过抽真空或充氮气进行绝缘，该有直插式，贴片式等多种结构，工艺灵活。第三种是陶瓷金属混合封装，工艺与金属封装类似。这两种封装的主要不足有：1)塑料封装，由于其塑料外壳材料、焊料、及绝缘材料的限制，可耐受温度仅有230℃。2)半导体金属封装很难实现多芯片集成，大多为单功率芯片封装。直插式金属封装无法承受大电流。贴片式金属封装虽然可走更大电流，但其在高温场合下难以实现多个模块间的级联或与模块其他部分的连接。且在高温大功率应用场合下，极有可能引起引脚与外壳击穿而导致模块击穿损坏。3)现有的陶瓷金属封装外壳，使用的陶瓷材料与芯片贴装技术不能满足高温应用需求，且同样难以实现多个模块间的级联或与模块其他部分间的连接。4)以上三种封装与模块其他部分在高温下的复杂连接增加了模块整体的寄生电感，使模块整体损耗增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，该结构具有低成本、高可靠性、低寄生参数及耐高温的特点。
为达到上述目的，本发明所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构包括陶瓷外壳、密封件及引片结构；
陶瓷外壳内设置有第一镀金的金属化芯区及第二镀金的金属化芯区，第一镀金的金属化芯区上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金的金属化芯区上设置有下桥臂半导体芯片；
陶瓷外壳的端面上设置有凹槽结构，引片结构***于凹槽结构内，且引片结构与陶瓷外壳之间通过密封件密封，引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，陶瓷外壳内部为真空结构或者充有惰性气体。
所述引片结构包括第一带孔状的镀金铜引片、第二带孔状的镀金铜引片、第三带孔状的镀金铜引片、第四带孔状的镀金铜引片、第五带孔状的镀金铜引片、第六带孔状的镀金铜引片、第七带孔状的镀金铜引片及第八带孔状的镀金铜引片；
所述凹槽结构包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽、第六凹槽、第七凹槽及第八凹槽；
第一带孔状的镀金铜引片***于第一凹槽内，第二带孔状的镀金铜引片***于第二凹槽内，第三带孔状的镀金铜引片***于第三凹槽内，第四带孔状的镀金铜引片***于第四凹槽内，第五带孔状的镀金铜引片***于第五凹槽内，第六带孔状的镀金铜引片***于第六凹槽内，第七带孔状的镀金铜引片***于第七凹槽内，第八带孔状的镀金铜引片***于第八凹槽内。
密封件包括第一金属密封环、第二金属密封环、第三金属密封环、第四金属密封环、第五金属密封环、第六金属密封环、第七金属密封环及第八金属密封环；
陶瓷外壳与第一带孔状的镀金铜引片、第二带孔状的镀金铜引片、第三带孔状的镀金铜引片、第四带孔状的镀金铜引片、第五带孔状的镀金铜引片、第六带孔状的镀金铜引片、第七带孔状的镀金铜引片及第八带孔状的镀金铜引片分别通过第一金属密封环、第二金属密封环、第三金属密封环、第四金属密封环、第五金属密封环、第六金属密封环、第七金属密封环及第八金属密封环密封。
陶瓷外壳的顶部开口处设置有陶瓷盖板，其中，陶瓷盖板通过第九金属密封环与陶瓷外壳密封连接。
陶瓷外壳为氮化硅材料。
上桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第一镀金的金属化芯区上；下桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第二镀金的金属化芯区上，其中，贴装过程在真空烧结炉内施工。
引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片之间通过金线或者金带键合相连接。
在真空状态下或者氮气气氛下将陶瓷盖板通过第九金属密封环与陶瓷外壳密封连接。
陶瓷外壳的底部设置有散热金属片。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构在具体操作时，陶瓷外壳的端面上设置有凹槽结构，引片结构***于凹槽结构内，且引片结构与陶瓷外壳之间通过密封件密封，在保证气密性的同时，降低功率模块的寄生电感及寄生电容，可靠性较高，同时陶瓷外壳内部为真空结构或者充有惰性气体，保证陶瓷外壳内部绝缘，继而保证芯片在高温大功率环境下的可靠运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图。
其中，100为陶瓷外壳、101为第一镀金的金属化芯区、102为第二镀金的金属化芯区、103为第一带孔状的镀金铜引片、104为第二带孔状的镀金铜引片、105为第三带孔状的镀金铜引片、106为第四带孔状的镀金铜引片、107为第五带孔状的镀金铜引片、108为第六带孔状的镀金铜引片、109为第七带孔状的镀金铜引片、110为第八带孔状的镀金铜引片、111为第一金属密封环、112为第二金属密封环、113为第三金属密封环、114为第四金属密封环、115为第五金属密封环、116为第六金属密封环、117为第七金属密封环、118为第八金属密封环、119为第九金属密封环、120为散热金属片、121为陶瓷盖板、122为第一碳化硅功率半导体芯片、123为第二碳化硅功率半导体芯片、124为第三碳化硅功率半导体芯片、125为第四碳化硅功率半导体芯片、126为第五碳化硅功率半导体芯片、127为第六碳化硅功率半导体芯片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构包括陶瓷外壳100、密封件及引片结构；陶瓷外壳100内设置有第一镀金的金属化芯区101及第二镀金的金属化芯区102，第一镀金的金属化芯区101上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金的金属化芯区102上设置有下桥臂半导体芯片；陶瓷外壳100的端面上设置有凹槽结构，引片结构***于凹槽结构内，且引片结构与陶瓷外壳100之间通过密封件密封，引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，陶瓷外壳100内部为真空结构或者充有惰性气体，其中，在真空状态下或者氮气气氛下将陶瓷盖板121通过第九金属密封环119与陶瓷外壳100密封连接。
所述引片结构包括第一带孔状的镀金铜引片103、第二带孔状的镀金铜引片104、第三带孔状的镀金铜引片105、第四带孔状的镀金铜引片106、第五带孔状的镀金铜引片107、第六带孔状的镀金铜引片108、第七带孔状的镀金铜引片109及第八带孔状的镀金铜引片110；所述凹槽结构包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽、第六凹槽、第七凹槽及第八凹槽；第一带孔状的镀金铜引片103***于第一凹槽内，第二带孔状的镀金铜引片104***于第二凹槽内，第三带孔状的镀金铜引片105***于第三凹槽内，第四带孔状的镀金铜引片106***于第四凹槽内，第五带孔状的镀金铜引片107***于第五凹槽内，第六带孔状的镀金铜引片108***于第六凹槽内，第七带孔状的镀金铜引片109***于第七凹槽内，第八带孔状的镀金铜引片110***于第八凹槽内。
密封件包括第一金属密封环111、第二金属密封环112、第三金属密封环113、第四金属密封环114、第五金属密封环115、第六金属密封环116、第七金属密封环117及第八金属密封环118；陶瓷外壳100与第一带孔状的镀金铜引片103、第二带孔状的镀金铜引片104、第三带孔状的镀金铜引片105、第四带孔状的镀金铜引片106、第五带孔状的镀金铜引片107、第六带孔状的镀金铜引片108、第七带孔状的镀金铜引片109及第八带孔状的镀金铜引片110分别通过第一金属密封环111、第二金属密封环112、第三金属密封环113、第四金属密封环114、第五金属密封环115、第六金属密封环116、第七金属密封环117及第八金属密封环118密封。
陶瓷外壳100的顶部开口处设置有陶瓷盖板121，其中，陶瓷盖板121通过第九金属密封环119与陶瓷外壳100密封连接；陶瓷外壳100为氮化硅材料。
上桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第一镀金的金属化芯区101上；下桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第二镀金的金属化芯区102上，其中，贴装过程在真空烧结炉内施工。
引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片之间通过金线或者金带键合相连接；瓷外壳100的底部设置有散热金属片120，以增加散热。
上桥臂半导体芯片由第一碳化硅功率半导体芯片122、第二碳化硅功率半导体芯片123及第三碳化硅功率半导体芯片124组成，上桥臂半导体芯片由为第四碳化硅功率半导体芯片125、第五碳化硅功率半导体芯片126及第六碳化硅功率半导体芯片127构成。
实施例一
第一带孔状的镀金铜引片103及第三带孔状的镀金铜引片105为驱动回路的栅极，第二带孔状的镀金铜引片104及第四带孔状的镀金铜引片106为驱动回路的源极。上桥臂半导体芯片的栅极与第一带孔状的镀金铜引片103通过键合线相连接，上桥臂半导体芯片的开尔文源极与第二带孔状的镀金铜引片104相连接；下桥臂半导体芯片的栅极与第三带孔状的镀金铜引片105通过键合线相连接，下桥臂半导体芯片的开尔文源极与第四带孔状的镀金铜引片106相连接。
第五带孔状的镀金铜引片107为功率回路的公共端，上桥臂半导体芯片的功率源极，或下桥臂半导体芯片的漏极，在此结构中，采用第五带孔状的镀金铜引片107与上桥臂半导体芯片的源极直接通过键合线相连。
第七带孔状的镀金铜引片109为直流功率正极，第七带孔状的镀金铜引片109与第一金属化芯腔通过键合线直接相连。
第八带孔状的镀金铜引片110为直流功率负极，第八带孔状的镀金铜引片110与第二金属化芯腔通过键合线直接相连。
本发明能够简单地使用栅极引线和源极引线的开尔文连接，彻底消除功率回路对驱动回路的负面影响，从而提高多芯片均流的效果及功率模块在不同工况下的运行可靠性。第六带孔状的镀金铜引片108为备用电极，以方便电路灵活改变，达到寄生参数最小的目的。
第一金属密封环111、第二金属密封环112、第三金属密封环113、第四金属密封环114、第五金属密封环115、第六金属密封环116、第七金属密封环117及第八金属密封环118通过钎焊将金属引片与陶瓷外壳100紧密连接，并保证引片处气密性，第九金属密封环119通过钎焊将陶瓷外壳100与陶瓷盖板121连接并密封。
本发明可以使用的散热方式包括但不限于自然散热、强迫风冷散热及强迫液冷散热。
需要说明的是，本发明具有以下有益效果：
1)本发明在封装外壳整体耐极高温度的前提下，进行了多芯片集成，实现了可工作在极高温度下的半桥封装结构。
2)本发明可在半桥结构的上桥臂或下桥臂并联多个芯片，以扩大整体电流容量，实现更大功率。
3)本发明也适用于在半桥结构的上桥臂或下桥臂并联碳化硅二极管器件，改善高温下器件反向恢复情况恶劣问题。
4)本发明的驱动端子与功率端子分别引出，可以消除功率回路大电压、大电流对控制回路的不良影响。
5)本发明采用的带开孔的引片，既可实现大电流通过，又可通过螺丝或金属柱等实现高温大功率的封装级联或与模块其他部分的连接。
6)本发明可实现封装级联或与模块其他部分连接的同时，实现寄生参数小，降低***损耗。
7)本发明采用的底部金属片，不仅可以实现不焊接额外散热器情况下的有效散热，也可实现与外部散热器的连接进行散热。
8)本发明得益于模块的耐高温、低寄生参数、散热效果好的优点，碳化硅半导体芯片可轻松的紧密排布，缩小了功率模块的体积。
9)本发明也适用于除半桥结构之外的其他连接形式，使用灵活。
Claims (9)
1.一种可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，包括陶瓷外壳(100)、密封件及引片结构；
陶瓷外壳(100)内设置有第一镀金的金属化芯区(101)及第二镀金的金属化芯区(102)，第一镀金的金属化芯区(101)上设置有上桥臂半导体芯片，第二镀金的金属化芯区(102)上设置有下桥臂半导体芯片；
陶瓷外壳(100)的端面上设置有开槽结构，引片结构***于开槽结构内，且引片结构与陶瓷外壳(100)之间通过密封件密封，引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片相连接，陶瓷外壳(100)内部为真空结构或者充有惰性气体。
2.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，所述引片结构包括第一带孔状的镀金铜引片(103)、第二带孔状的镀金铜引片(104)、第三带孔状的镀金铜引片(105)、第四带孔状的镀金铜引片(106)、第五带孔状的镀金铜引片(107)、第六带孔状的镀金铜引片(108)、第七带孔状的镀金铜引片(109)及第八带孔状的镀金铜引片(110)；
所述开槽结构包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽、第六凹槽、第七凹槽及第八凹槽；
第一带孔状的镀金铜引片(103)***于第一凹槽内，第二带孔状的镀金铜引片(104)***于第二凹槽内，第三带孔状的镀金铜引片(105)***于第三凹槽内，第四带孔状的镀金铜引片(106)***于第四凹槽内，第五带孔状的镀金铜引片(107)***于第五凹槽内，第六带孔状的镀金铜引片(108)***于第六凹槽内，第七带孔状的镀金铜引片(109)***于第七凹槽内，第八带孔状的镀金铜引片(110)***于第八凹槽内。
3.根据权利要求2所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，密封件包括第一金属密封环(111)、第二金属密封环(112)、第三金属密封环(113)、第四金属密封环(114)、第五金属密封环(115)、第六金属密封环(116)、第七金属密封环(117)及第八金属密封环(118)；
陶瓷外壳(100)与第一带孔状的镀金铜引片(103)、第二带孔状的镀金铜引片(104)、第三带孔状的镀金铜引片(105)、第四带孔状的镀金铜引片(106)、第五带孔状的镀金铜引片(107)、第六带孔状的镀金铜引片(108)、第七带孔状的镀金铜引片(109)及第八带孔状的镀金铜引片(110)分别通过第一金属密封环(111)、第二金属密封环(112)、第三金属密封环(113)、第四金属密封环(114)、第五金属密封环(115)、第六金属密封环(116)、第七金属密封环(117)及第八金属密封环(118)密封。
4.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，陶瓷外壳(100)的顶部开口处设置有陶瓷盖板(121)，其中，陶瓷盖板(121)通过第九金属密封环(119)与陶瓷外壳(100)密封连接。
5.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，陶瓷外壳(100)为氮化硅材料。
6.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，上桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第一镀金的金属化芯区(101)上；下桥臂半导体芯片采用金锡焊或者纳米银烧结技术贴装于第二镀金的金属化芯区(102)上，其中，贴装过程在真空烧结炉内施工。
7.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，引片结构与上桥臂半导体芯片及下桥臂半导体芯片之间通过金线或者金带键合相连接。
8.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，在真空状态下或者氮气气氛下将陶瓷盖板(121)通过第九金属密封环(119)与陶瓷外壳(100)密封连接。
9.根据权利要求1所述的可级联的大功率碳化硅器件半桥高温封装结构，其特征在于，陶瓷外壳(100)的底部设置有散热金属片(120)。
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