[實用新型]一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊

有效

• 申請號: 201420045476.2
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN203746828U
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 劉志宏
• 申請（專利權）人: 嘉興斯達微電子有限公司
• 主分類號: H01L23/36
• 分類號: H01L23/36;H01L23/492;H01L23/04
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 翁霽明

技術領域

本實用新型涉及的是一種高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，屬于半導體模塊封裝技術領域。

技術背景

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

目前對于大功率器件開關頻率高達100kHz以上的應用，一般使用硅基高壓mosfet器件或硅基coolmos器件，而傳統的IGBT器件一般只適用于開關頻率低于100kHz的應用領域。目前利用硅基高壓mosfet和硅基coolmos設計的高頻系統因為器件本身的損耗較高、最高可允許工作結溫不超過175度、價格昂貴、需要多片分立器件并聯以提供大電流輸出等諸多原因，導致電力電子高頻系統頻率做到500kHz就難以再繼續提升，同時面臨系統效率低、體積大等缺點。

當前以碳化硅mosfet和碳化硅SBD為代表的新一代寬禁帶半導體器件取得突破，業界已經有600V和1200V的碳化硅mosfet和SBD分離器件可供客戶選用，但因為分離器件不適合應用于大功率系統，如存在需要大量并聯、器件間連線復雜、寄生參數大、安裝拆換復雜、系統可靠性低、參數一致性難以控制等問題，致使碳化硅器件難以應用于大功率高頻高壓系統中，目前唯一的解決辦法是解決碳化硅芯片的模塊設計問題，為用戶提供高集成度、高壓、高頻、大電流的模塊產品，可以從根本上解決高頻系統面臨的諸多問題，大幅提升系統性能。

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

目前電力電子行業使用量最大的功率模塊封裝仍然采用的是34mm、62mm寬度的封裝結構，該模塊結構具有30mm高度，這種類型的功率模塊功率密度不高，其內部功率回路的寄生電感較大，無法適應某些應用領域對高功率密度和低寄生電感的要求，故本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，模塊內部采用低寄生電感功率回路設計，同時模塊內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度以上連續工作，如此碳化硅模塊可以充分發揮寬禁帶半導體器件的高工作結溫的優勢。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種具有高溫、高頻、大功率的優勢，可應用于開關頻率超過500kHz、輸出功率超過100kW應用領域的緊湊型高頻大功率碳化硅MOSFET模塊。

本實用新型的目的是通過如下技術方案來實現的：所述的高頻大功率碳化硅MOSFET模塊，它包括散熱基板、殼體，封裝于殼體內的電路結構，殼體包括外殼和蓋于外殼上的外蓋，電路結構包括功率端子、信號端子、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構連接起來，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，至少三個功率端子焊接在絕緣陶瓷基板的對應位置上。

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部分粘結在一起，殼體內部灌有硅凝膠，所述外蓋和外殼之間通過螺絲緊固在一起。

所述殼體內部封裝的電路結構包含半橋電路結構，包括抑制mosfet體二極管形式和利用mosfet體二極管兩種形式；所述半橋電路結構有三個功率端子引出殼體外部，所述碳化硅mosfet芯片上串聯一片碳化硅SBD芯片，另在兩者旁邊反并聯一片碳化硅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芯片之間動態均流的貼片電阻。

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。

所述功率端子在模塊外蓋以上部分折成90度，外蓋對應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的散熱基板底部距離，即模塊的總高在15-18mm，優選16mm。