[发明专利]一种功率器件的三维封装结构及封装方法

说明书

本发明公开了一种功率器件的三维封装结构及封装方法，该封装结构包括功率器件、直接覆铜陶瓷基板(即DBC基板)、柔性印刷电路板(即FPC板)、引线、散热基板、解耦电容、用于集成风扇的散热器以及外壳，形成由功率器件构成的半桥电路结构；本发明提供的这种封装结构及封装方法，优化了功率回路结构，利用互感抵消减小换流回路的寄生电感，减小了开关过程中的过电压和振荡；利用FPC板可弯曲的特性，构成了三维封装结构，提高了功率密度。

技术领域

本发明属于功率半导体模块的封装技术领域，更具体地，涉及一种功率器件的三维封装结构及封装方法。

背景技术

在电力系统、电力牵动、数据中心、电动汽车、新能源应用等多个领域，利用电力电子设备来实现能量转换是常用的手段，功率半导体器件作为电力电子变换器的基本组成单元，在其中起着至关重要的作用。随着电力电子变换器功率等级的提高，单个功率半导体器件封装的分离器件(如TO247封装)已经不能满足高功率的要求，而多个分立器件并联会造成寄生参数大、体积大、散热困难等问题，因此在大功率应用场合，由多个芯片并联封装成的功率半导体模块受到了广泛的应用。

传统硅器件的性能在很多方面都逼近了它的理论极限，从而导致在实际应用中很难满足电力电子系统对功率器件在阻断电压、通态电流、开关频率，以及高温、高效等方面的新要求。

在这种情况下，第三代基于宽禁带半导体的功率器件应运而生。作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于传统硅器件难以胜任的场合。理论上碳化硅器件的开关频率可以达到上兆赫兹，但是现有商用器件的封装结构大大限制了碳化硅器件的高频应用，主要是由于在封装过程中基板、芯片、引脚互联引起的杂散电感比较大，而一般的器件封装模块也是通过功率接线端子引出电极，这些引线都会增大回路的寄生电感。这些寄生电感会使器件在关断过程中承受较大的尖峰电压，严重时可能会损坏器件，因此必须设法降低功率器件模块的寄生电感。

围绕如何降低碳化硅器件封装结构中的寄生电感这一问题，现有封装结构有键合线结构、平板结构、混合封装结构。其中，键合线结构简单、可靠性高，但是单面的封装尺寸大，寄生电感大；平板结构寄生参数小、散热性好，但是工艺复杂、可靠性差；混合封装结构是由键合线结构、直接覆铜陶瓷基板技术的结合，具有前2者的优点。但是现有混合封装结构中一般采用硬性PCB板，硬性PCB板的绝缘材料采用环氧树脂，绝缘强度一般在30kV/mm，绝缘层厚度较大，仍存在寄生电感较大且未得到有效优化、焊接面积小造成可靠性降低及与需要外接功率端子与外部电路连接、封装结构的空间利用率低的问题，因此有必要进行封装结构及封装方法的优化。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种功率器件的三维封装结构及封装方法，由此解决现有的功率器件封装结构中寄生电感较大、焊接面积小、需要额外功率端子与外部电路连接、散热器空间利用率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种功率器件的三维封装结构，包括：用于集成风扇的散热器、第一散热基板、第二散热基板、第三散热基板、第一DBC基板、第二DBC基板、第三DBC基板、功率器件、第一FPC板、第二FPC板以及第三FPC板；

所述三维封装结构由三个子模块构成，三个子模块通过所述第一FPC板连接在一起，连接部分是可弯曲的FPC板；

所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板分别固定于所述散热器的三个面上，在散热基板和散热器的连接表面涂有导热硅脂等高导热涂层；

所述第一DBC基板、所述第二DBC基板以及所述第三DBC基板分别焊接在第一散热基板、第二散热基板以及第三散热基板上；