[发明专利]碳化硅功率模块的封装方法及碳化硅功率模块有效

专利信息
申请号: 201110000505.4 申请日: 2011-01-04
公开(公告)号: CN102148169A 公开(公告)日: 2011-08-10
发明(设计)人: 丁荣军;罗海辉;刘博;曾文彬;雷云;吴煜东;刘国友;彭勇殿;张明 申请(专利权)人: 株洲南车时代电气股份有限公司
主分类号: H01L21/50 分类号: H01L21/50;H01L21/58;H01L21/60;H01L23/488;H01L23/29;H01L25/00
代理公司: 北京集佳知识产权代理有限公司 11227 代理人: 逯长明;王宝筠
地址: 412001*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 碳化硅 功率 模块 封装 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及碳化硅功率器件封装领域,特别是涉及一种碳化硅功率模块的封装方法及碳化硅功率模块。

背景技术

功率半导体器件广泛应用于计算机、网络通信、消费电子、工业控制、汽车电子、机车牵引、钢铁冶炼、大功率电源、电力系统等领域,除了保证这些设备的正常运行以外,功率器件还能起到有效的节能作用,在发展低碳经济、节能减排、控制气候变暖等方面不可或缺。

传统的硅基功率器件受制于硅材料所固有的物理属性的限制,在高频高功率应用领域已经遇到了难以克服的困难。在这种情况下,基于碳化硅的功率器件脱颖而出,凭借碳化硅材料击穿电场强度高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高和热导率高等特点,可大幅降低逆变器及变频器等电力转换类器件的能量损失和体积重量。可以预见,碳化硅功率器件将在未来能源系统中扮演越来越重要的角色。自从碳化硅功率肖特基二极管问世以来,围绕碳化硅功率器件的开发和应用日趋活跃,高品质、大直径的碳化硅衬底和大幅改善的元件接连亮相,并成功应用于开关模式电源、燃料电动车逆变器、空调变频器和太阳能发电系统等领域。

碳化硅功率模块的封装按管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法的不同,主要分为压接结构、焊接结构、直接敷铜基板结构等。压接式结构采用平板型或螺栓型封装的管芯压接互连技术,电接触依靠内外部施加压力实现,较好地解决了热疲劳稳定性问题,可制作大电流、高功率密度的功率模块。但是这种封装方式对管芯、压块、底板等零部件平整度要求很高,否则不仅将增大模块的接触热阻,而且会损伤芯片,严重时芯片会碎裂。这些问题在多芯片并联压接封装的情况下尤为严重。

由于碳化硅在晶体生长过程中形成微管和其它缺陷的问题至今尚未彻底解决,制造大电流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片还难以得到。为了使碳化硅功率器件能在大电流条件下工作,必须将多个碳化硅芯片并联封装。碳化硅功率器件的工作温度可达600℃,远高于硅功率器件的150℃。碳化硅功率器件的高温工作能力不仅使其在实际应用中充分发挥高频高功率的优势,而且降低了对系统热预算的要求。但是,传统的并联封装技术采用焊接合金把器件的一个端面贴合在衬板上,另外的端面与铝线或金线键合在一起。这种方法在大功率、高温工作条件下缺乏可靠性,热循环能力差,而且不具备足够的机械强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种碳化硅功率模块的封装方法,该封装方法可使碳化硅功率模块在大功率、高温工作条件下具有较高的可靠性,较强的热循环能力。

本发明一种碳化硅功率模块的封装方法,包括以下步骤:在钼板上焊接一层氮化铝隔离层,将碳化硅芯片放置到氮化铝隔离层的空格中,与钼板焊接;在碳化硅芯片上焊接钼块,钼块上预留门极引线槽;将引线放置在门极引线槽内,焊接固定,收集引线并引出;用环氧树脂将钼板、氮化硅隔离层及碳化硅芯片整体浇筑成型,安装底座、管壳和管盖,进行封装。

优选的,在安装底座、管壳和管盖之前,还包括:在环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层和碳化硅芯片的接触面填充硅胶。

优选的,打磨钼板的阴极面,使钼板的阴极面平整并与钼板阳极面平行。

优选的,在碳化硅芯片上焊接钼块时,使用Au-20%Ge作为焊料。

优选的,收集引线并引出具体为:在钼板中央收集引线并引出,引线引出之后采用套环绝缘。

优选的,管壳材料为柯阀合金,与瓷环的匹配封接成圆环形。

优选的,所述封装为使用冷压焊密封。

本发明还提供一种碳化硅功率模块,该封装方法可使碳化硅功率模块在大功率、高温工作条件下具有较高的可靠性,较强的热循环能力。

本发明一种碳化硅功率模块,碳化硅芯片焊接在钼板的阳极钼片和阴极钼片之间,碳化硅芯片的外周为氮化铝隔离层;碳化硅芯片上设有钼块,门极引线从钼块的门极引线槽内引出,焊接固定;环氧树脂填充在钼板、氮化铝隔离层及碳化硅芯片上,外周分别安装有底座、管壳和管盖。

优选的,环氧树脂与钼板、氮化硅隔离层和碳化硅芯片的接触面填充有硅胶。

优选的,所述钼板的阴极面平整并与钼板阳极面平行。

与现有技术相比,本发明具有以下优点:

本发明通过合理的封装材料和结构选择避免了模块承受过大的热冲击和热膨胀失配。本发明在碳化硅芯片和氮化铝隔壁层的热膨胀系数非常相近,有效避免热膨胀失配。氮化铝隔离层和钼板都具有高的热导率,利于碳化硅芯片的散热,避免碳化硅芯片承受过大的热冲击。这样保证碳化硅功率模块能在250℃的高温下工作。

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