[發(fā)明專利]一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410033879.X
• 申請(qǐng)日: 2014-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN103794578A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉志宏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 嘉興斯達(dá)微電子有限公司
• 主分類號(hào): H01L23/36
• 分類號(hào): H01L23/36;H01L23/492;H01L23/04
• 代理公司: 杭州九洲專利事務(wù)所有限公司 33101
• 代理人: 翁霽明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，屬于半導(dǎo)體模塊封裝技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

高頻大功率半導(dǎo)體模塊主要應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)合，如：感應(yīng)加熱、逆變焊機(jī)、UPS、電解電鍍電源等，傳統(tǒng)大功率半導(dǎo)體模塊主要包括：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、功率MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、晶閘管以及功率二極管等，功率半導(dǎo)體模塊是將以上功率半導(dǎo)體芯片封裝成各種電路基本單元，應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)功率回路。

目前對(duì)于大功率器件開關(guān)頻率高達(dá)100kHz以上的應(yīng)用，一般使用硅基高壓mosfet器件或硅基coolmos器件，而傳統(tǒng)的IGBT器件一般只適用于開關(guān)頻率低于100kHz的應(yīng)用領(lǐng)域。目前利用硅基高壓mosfet和硅基coolmos設(shè)計(jì)的高頻系統(tǒng)因?yàn)槠骷旧淼膿p耗較高、最高可允許工作結(jié)溫不超過175度、價(jià)格昂貴、需要多片分立器件并聯(lián)以提供大電流輸出等諸多原因，導(dǎo)致電力電子高頻系統(tǒng)頻率做到500kHz就難以再繼續(xù)提升，同時(shí)面臨系統(tǒng)效率低、體積大等缺點(diǎn)。

當(dāng)前以碳化硅mosfet和碳化硅SBD為代表的新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件取得突破，業(yè)界已經(jīng)有600V和1200V的碳化硅mosfet和SBD分離器件可供客戶選用，但因?yàn)榉蛛x器件不適合應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，如存在需要大量并聯(lián)、器件間連線復(fù)雜、寄生參數(shù)大、安裝拆換復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性低、參數(shù)一致性難以控制等問題，致使碳化硅器件難以應(yīng)用于大功率高頻高壓系統(tǒng)中，目前唯一的解決辦法是解決碳化硅芯片的模塊設(shè)計(jì)問題，為用戶提供高集成度、高壓、高頻、大電流的模塊產(chǎn)品，可以從根本上解決高頻系統(tǒng)面臨的諸多問題，大幅提升系統(tǒng)性能。

碳化硅器件模塊著重需要解決的技術(shù)問題主要有：低寄生電感設(shè)計(jì)以滿足高頻要求，高溫封裝材料及封裝工藝的開發(fā)。

目前電力電子行業(yè)使用量最大的功率模塊封裝仍然采用的是34mm、62mm寬度的封裝結(jié)構(gòu)，該模塊結(jié)構(gòu)具有30mm高度，這種類型的功率模塊功率密度不高，其內(nèi)部功率回路的寄生電感較大，無(wú)法適應(yīng)某些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω吖β拭芏群偷图纳姼械囊螅时?a title="鉆瓜專利網(wǎng)">專利提出使用新型的16mm緊湊型低寄生電感封裝以解決該問題，模塊內(nèi)部采用低寄生電感功率回路設(shè)計(jì)，同時(shí)模塊內(nèi)部選用高溫封裝材料，如：硅凝膠、焊料、密封膠等，要求以上材料可以承受200度以上連續(xù)工作，如此碳化硅模塊可以充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體器件的高工作結(jié)溫的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種具有高溫、高頻、大功率的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于開關(guān)頻率超過500kHz、輸出功率超過100kW應(yīng)用領(lǐng)域的緊湊型高頻大功率碳化硅MOSFET模塊。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板、殼體，封裝于殼體內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，電路結(jié)構(gòu)包括功率端子、信號(hào)端子、絕緣陶瓷基板、碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片；所述絕緣陶瓷基板通過高溫回流焊接到散熱基板上，在絕緣陶瓷基板上焊接有碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片，碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片與絕緣陶瓷基板上刻蝕的電路結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，并通過鋁線將碳化硅mosfet芯片、碳化硅SBD芯片相互之間連接起來(lái)，至少三個(gè)功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對(duì)應(yīng)位置上。

所述殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，所述外殼通過密封膠與散熱基板的外側(cè)部分粘結(jié)在一起，殼體內(nèi)部灌有硅凝膠，所述外蓋和外殼之間通過螺絲緊固在一起。

所述殼體內(nèi)部封裝的電路結(jié)構(gòu)包含半橋電路結(jié)構(gòu)，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式；所述半橋電路結(jié)構(gòu)有三個(gè)功率端子引出殼體外部，所述碳化硅mosfet芯片上串聯(lián)一片碳化硅SBD芯片，另在兩者旁邊反并聯(lián)一片碳化硅SBD芯片；所述碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片的柵極各串接一片以改善各并聯(lián)芯片之間動(dòng)態(tài)均流的貼片電阻。

所述碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片的上表面之間采用鋁線鍵合，碳化硅mosfet芯片和碳化硅SBD芯片對(duì)絕緣陶瓷基板的焊接采用PbSnAg或SnAu高溫焊料；所述絕緣陶瓷基板采用SnAgCu或SnAg焊料與散熱基板基板焊接；所述絕緣陶瓷基板上灌有玻璃化溫度超過200度的硅凝膠，灌封的硅凝膠高度以將所有鍵合鋁線浸沒為準(zhǔn)。

所述功率端子在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋對(duì)應(yīng)功率端子折彎后的安裝孔處嵌有安裝螺母；所述功率端子頂部與殼體內(nèi)的散熱基板底部距離，即模塊的總高在15-18mm，優(yōu)選16mm。