[發明專利]一種碳化硅維也納整流器半橋模塊的封裝結構

有效

• 申請號: 202010874358.2
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111916438B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 彭力;花偉杰;陳材;黃志召;劉新民;康勇
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L25/16
• 分類號: H01L25/16;H01L29/78;H01L29/872;H01L29/16;H01L23/498;H02M7/00;H02M7/12;H02M7/219
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 祝丹晴;李智

本發明公開了一種碳化硅維也納整流器半橋模塊的封裝結構，屬于功率半導體器件技術領域。包括功率單元和絕緣基板；功率單元包括二極管整流上下橋臂和雙向開關橋臂；雙向開關橋臂包括共源極串聯的第一、第二碳化硅MOSFET芯片；絕緣基板的表面銅層包括正極金屬層、負極金屬層、輸入金屬層、輸出金屬層、雙向開關功率共源極金屬層、驅動金屬層和熱敏電阻金屬層；二極管整流上橋臂位于正極金屬層，二極管整流下橋臂和第一碳化硅MOSFET芯片位于輸入金屬層，第二碳化硅MOSFET芯片位于輸出金屬層。本發明減小了換流回路中的寄生電感和從而減小開關損耗，更適用于高頻化應用；功率開關管芯片的驅動采用Kelvin連接，增強了驅動的穩定性。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，更具體地，涉及一種碳化硅維也納整流器半橋模塊的封裝結構。

背景技術

碳化硅功率器件相對于傳統硅基功率器件來說，具有更高的擊穿電壓、更小的體積、更高的導熱系數及更高的工作溫度，因而更適用于高壓、高溫、高頻的場景中。為了追求更小的變換器體積，電源系統的開關頻率不斷上升，功率模塊中的開關管開關速度不斷提高，開關損耗不斷下降。在高頻領域，碳化硅器件有著巨大的前景。

理論上碳化硅器件的開關頻率可達上兆赫茲，然而現有的大部分商用器件，寄生電感參數較大，這使得開關管芯片在以高速關斷時會承受較大的尖峰電壓，在開關暫態產生較大振蕩，帶來更大的損耗，甚至可能將器件擊穿。在更快的開關速度和更高的開關頻率下，這些效應會更加明顯，這限制了功率模塊開關速度的提升和高頻化應用。

當前已有實現雙向開關的功率模塊，但是在實際應用(如維也納整流器)中，單純的雙向開關功率模塊常常需要與其他功率器件相連接，因此在換流回路中依然會產生較大的寄生電感，從而限制了變換器的工作頻率。針對雙向開關在維也納整流器中的典型應用，亟需設計相應的碳化硅功率模塊，彌補當前市場的缺失，并使其能發揮碳化硅器件的優勢。

發明內容

針對相關技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種碳化硅維也納整流器半橋模塊的封裝結構，旨在降低維也納整流器半橋換流回路中的寄生電感，減小關斷時開關管承受的由寄生電感引起的電壓尖峰，從而提高模塊的可靠性并減小開關損耗，彌補市場缺失并適應該結構的高頻化應用。

為實現上述目的，本發明的一個方面提供了一種碳化硅維也納整流器半橋模塊的封裝結構，包括絕緣基板和功率單元；

所述功率單元附著于所述絕緣基板上，包括二極管整流上橋臂、二極管整流下橋臂和雙向開關橋臂；其中，所述雙向開關橋臂包括共源極串聯的第一碳化硅MOSFET芯片和第二碳化硅MOSFET芯片；

所述絕緣基板的表面銅層包括正極金屬層、負極金屬層、輸入金屬層、輸出金屬層、雙向開關功率共源極金屬層、驅動金屬層和熱敏電阻金屬層；

所述二極管整流上橋臂位于所述正極金屬層，所述二極管整流下橋臂和第一碳化硅MOSFET芯片位于所述輸入金屬層，所述第二碳化硅MOSFET芯片位于所述輸出金屬層。

進一步地，所述驅動金屬層包括第一驅動柵極第一金屬層、第一驅動柵極第二金屬層、雙向開關驅動共源極金屬層、第二驅動柵極第一金屬層和第二驅動柵極第二金屬層。

進一步地，所述第一碳化硅MOSFET芯片的漏極通過焊接直接與所述輸入金屬層相連，柵極通過引線鍵合至所述第一驅動柵極第二金屬層，源極通過均勻分布于其上表面的粗鋁鍵合線連接至所述雙向開關功率共源極金屬層的同時，還通過細鋁鍵合線連接至所述雙向開關驅動共源極金屬層；

所述第二碳化硅MOSFET芯片的漏極通過焊接直接與所述輸出金屬層相連，柵極通過引線鍵合至所述第二驅動柵極第二金屬層，源極通過均勻分布于其上表面的粗鋁鍵合線連接至所述雙向開關功率共源極金屬層的同時，還通過細鋁鍵合線連接至所述雙向開關驅動共源極金屬層。

進一步地，所述二極管整流上橋臂和二極管整流下橋臂均由碳化硅SBD芯片構成。