一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，其封裝結(jié)構(gòu)包括直接覆銅陶瓷基板、碳化硅功率器件、PCB板、引線以及外殼，形成由碳化硅功率器件構(gòu)成的半橋電路結(jié)構(gòu)；本發(fā)明提供的這種封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，有效地減少了功率回路的面積，在開關(guān)管換流過程中構(gòu)成了電流流向相反的導(dǎo)體，利用互感抵消減小換流回路的寄生電感，有效地減小了開關(guān)過程中的過電壓和振蕩；驅(qū)動信號引線利用Kelvin連接方式，并且與功率引線垂直，起到有效地降低驅(qū)動回路和功率回路之間的耦合的作用，增強了驅(qū)動的穩(wěn)定性；DBC板和PCB板全面焊接，增強了封裝可靠性；功率端子和信號端子直接包含在PCB板中，減少額外端子帶來的接觸電阻和寄生電感，且兼具降低成本的效果。
【專利說明】
一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化娃半導(dǎo)體不但擊穿電場強度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應(yīng)用于傳統(tǒng)硅器件難以勝任的場合。理論上碳化硅器件的開關(guān)頻率可以達到上兆赫茲，但是現(xiàn)有商用器件的封裝結(jié)構(gòu)大大限制了碳化硅器件的高頻應(yīng)用，主要是由于在封裝過程中基板、芯片、引腳互聯(lián)引起的雜散電感比較大，例如T0247封裝的每個引腳的電感大于4nH，而一般的器件封裝模塊也是通過功率接線端子引出電極，這些引線會增大回路的寄生電感;這些寄生電感導(dǎo)致器件在關(guān)斷過程中承受較大的尖峰電壓，嚴重時可能會損壞器件，因此必須設(shè)法降低碳化硅功率器件的寄生電感。
[0003]對于如何降低碳化硅器件封裝結(jié)構(gòu)中的寄生電感這一問題，現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)方法有鍵合線結(jié)構(gòu)、平板結(jié)構(gòu)、混合封裝結(jié)構(gòu)。其中，鍵合線結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但是單面的封裝尺寸大，寄生電感大;平板結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)小、散熱性好，但是工藝復(fù)雜、可靠性差;混合封裝結(jié)構(gòu)是鍵合線結(jié)構(gòu)與直接覆銅陶瓷基板技術(shù)的結(jié)合，兼具兩者的優(yōu)點，但是現(xiàn)有混合封裝結(jié)構(gòu)仍存在寄生參數(shù)較大、焊接面積小造成可靠性降低及需要外接端子與外部電路連接的問題，因此有必要進行封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法的優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，其目的在于降低現(xiàn)有碳化硅功率器件封裝結(jié)構(gòu)的寄生電感。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，包括直接覆銅陶瓷(DBC)基板、貼裝在DBC基板上的碳化硅功率器件、焊接在DBC基板上開有窗口的PCB板、外殼；
[0006]碳化硅功率器件在DBC基板上的貼裝位置與PCB板的窗口對應(yīng);碳化硅功率器件的電極與PCB板之間通過引線鍵合實現(xiàn)電氣連接;外殼固定在PCB板上，具有可完全包圍PCB板電路結(jié)構(gòu)的底面積，外殼高度高于引線高度;外殼將DBC基板、PCB板電路結(jié)構(gòu)與碳化硅功率器件罩起來，起保護封裝結(jié)構(gòu)的作用;在外殼與DBC基板、PCB板和碳化硅功率器件之間的空隙空間，灌注有絕緣保護膠；
[0007]上述固定在DBC基板上的PCB板、通過PCB板的窗口貼裝在DBC基板上與PCB板之間通過引線電連接的碳化硅功率器件構(gòu)成的封裝結(jié)構(gòu)，其中碳化硅功率器件的換流回路所流經(jīng)的路徑大大減短，由此減小回路寄生電感。
[0008]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，其DBC基板為三層結(jié)構(gòu)，上、下層均為高導(dǎo)材料，中間層為絕緣傳熱材料;上層表面劃分為互相絕緣的第一焊接面和第二焊接面;第一焊接面與第二焊接面之間的間距大于碳化硅功率器件最大工作電壓對應(yīng)的電氣絕緣距離；
[0009]碳化硅功率器件包括第一碳化硅MOS管、第二碳化硅MOS管、第一碳化硅SBD芯片、第二碳化硅SBD芯片；
[0010]第一碳化硅MOS管與第一碳化硅SBD芯片貼裝在第一焊接面，第二碳化硅MOS管芯片與第二碳化硅SBD芯片貼裝在第二焊接面；
[0011]第一碳化硅MOS管的漏極、第一碳化硅SBD芯片的陰極和PCB板底層第一焊盤焊接在第一焊接面;第一碳化娃MOS管的源極與PCB板頂層第一焊盤通過第一鍵合線連接，第一碳化硅SBD芯片的陽極與PCB板頂層第二焊盤通過第二鍵合線連接;PCB板頂層第一焊盤和頂層第二焊盤經(jīng)過孔與PCB板底層第二焊盤連接；
[0012]第二碳化硅MOS管的漏極、第二碳化硅SBD芯片的陰極和PCB板底層第二焊盤焊接在第二焊接面;第二碳化娃MOS管的源極與PCB板頂層第三焊盤通過第三鍵合線連接，第二碳化硅SBD芯片的陽極與PCB頂層第四焊盤通過第四鍵合線連接;PCB板頂層第三焊盤和第四焊盤屬于PCB板頂層銅箔；
[0013]第一碳化娃MOS管的柵極與PCB頂層第五焊盤通過第五鍵合線連接；
[0014]第一碳化娃MOS管的源極與PCB頂層第六焊盤通過第六鍵合線連接；
[0015]第二碳化娃MOS管的柵極與PCB頂層第七焊盤通過第七鍵合線連接；
[0016]第二碳化娃MOS管的源極與PCB頂層第八焊盤通過第八鍵合線連接。
[0017]上述封裝結(jié)構(gòu)中，兩個碳化硅MOS管串聯(lián)且各自與一個碳化硅SBD芯片反并聯(lián)，形成半橋電路結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)；
[0018]PCB板底層第一焊盤作為封裝結(jié)構(gòu)的正電極，PCB板頂層銅箔作為封裝結(jié)構(gòu)的負電極;碳化硅功率器件與封裝結(jié)構(gòu)的正、負電極的布局使得換流路徑上的導(dǎo)體呈平行結(jié)構(gòu);換流時，封裝結(jié)構(gòu)的正電極到第一碳化硅SBD芯片陰極的導(dǎo)線、第一碳化硅SBD芯片源極到第二碳化娃MOS管漏極的導(dǎo)線中的電流流向，與第二碳化娃MOS管源極到負電極的導(dǎo)線中的電流流向相反，起到利用互感抵消來減小寄生電感的作用，可有效減小功率器件在開關(guān)過程中的過電壓和振蕩。
[0019]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，PCB板的頂層銅箔、底層第一焊盤、底層第二焊盤作為封裝結(jié)構(gòu)的功率端子，PCB板頂層的第五、第六、第七、第八焊盤作為封裝結(jié)構(gòu)的驅(qū)動信號端子;功率端子和驅(qū)動信號端子可直接用于與外部主電路或驅(qū)動電路相連;將該封裝結(jié)構(gòu)與外部電路連接時，不需要額外的功率端子，減少了額外功率端子帶來的接觸電阻和寄生電感，并且降低了成本。
[0020]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，連接驅(qū)動信號端子與碳化娃MOS管電極的鍵合線采用Kelvin連接方式;并且連接驅(qū)動信號端子與碳化硅MOS管柵極和源極的驅(qū)動信號線與連接碳化娃MOS管源極與PCB焊盤的功率線互相垂直，起到降低驅(qū)動回路與功率回路之間的耦合作用，可以減少功率回路對驅(qū)動回路的干擾，增強了驅(qū)動的穩(wěn)定性。
[0021]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，PCB板上設(shè)置的窗口尺寸與待封裝碳化硅功率器件的尺寸匹配，使得加工過程中碳化硅功率器件可從所述窗口安放到DBC基板上；窗口個數(shù)與待封裝碳化硅功率器件的個數(shù)相同。
[0022]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，其DBC基板采用雙面覆銅的陶瓷基板，上、下層均采用高導(dǎo)無氧銅，中間層采用氮化鋁、氧化鋁、氮化硅或氧化鈹中的一種；中間層將碳化硅功率器件產(chǎn)生的熱量傳遞到DBC底部散熱面，并實現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電氣部件對散熱器的絕緣隔咼。
[0023]優(yōu)選的，上述碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，其外殼上表面設(shè)有孔洞，用來注入絕緣凝膠，孔洞直徑為2mm?4_。
[0024]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種碳化硅功率器件的封裝方法，包括如下步驟:
[0025](I)根據(jù)擬封裝的碳化硅功率器件制備DBC基板和PCB板;所述PCB板上開有窗口 ；窗口個數(shù)與擬封裝的碳化硅功率器件的個數(shù)相同，窗口尺寸與擬封裝的碳化硅功率器件尺寸匹配；
[0026](2)將PCB板焊接在DBC基板上，并將碳化硅功率器件從PCB板的窗口焊接到DBC基板上；
[0027](3)采用引線鍵合工藝將碳化硅功率器件的電極與PCB板焊盤進行電連接；
[0028](4)將外殼固定在PCB板上;并將絕緣硅凝膠注入外殼中;靜置使絕緣硅凝膠固化。
[0029]優(yōu)選地，上述碳化硅功率器件的封裝方法，在其步驟(2)之前，還包括清洗步驟:采用超聲波清洗和化學(xué)清洗的方法清除DBC基板和PCB板表面的顆粒物和離子雜質(zhì)。
[0030]優(yōu)選地，上述碳化硅功率器件的封裝方法，其步驟(I)所制備得到的DBC基板的上層銅箔被刻蝕為兩個矩形焊接面，這兩個矩形焊接面之間的絕緣間距為1mm。
[0031]優(yōu)選地，上述碳化硅功率器件的封裝方法，其步驟(3)通過引線將碳化硅功率器件與PCB板進行電連接的方法具體為:將引線的一端通過鍵合工藝連接到碳化硅功率器件的上表面電極，將引線的另一端通過鍵合工藝連接到PCB板的焊盤上。
[0032]優(yōu)選地，上述碳化硅功率器件的封裝方法，其步驟(2)包括如下子步驟:
[0033](2.1)將融化溫度超過200攝氏度的高溫焊料通過絲網(wǎng)印刷涂在DBC基板上表面的焊接面；
[0034](2.2)根據(jù)上述焊接面的位置貼裝PCB板，并通過PCB板上的窗口將碳化硅功率器件放置在DBC基板上表面的焊接面上；
[0035](2.3)采用真空回流焊的方法將碳化硅功率器件和PCB板焊接在DBC基板的焊接面上。
[0036]優(yōu)選地，上述碳化硅功率器件的封裝方法，其步驟(2.1)中采用的高溫焊料為錫、銀、銅的混合材料，錫、銀、銅的比例為96.5:3:0.5;采用高溫焊料可以提高封裝結(jié)構(gòu)的工作溫度，提高穩(wěn)定性;同時方便該封裝結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時的焊料選取;應(yīng)用中對封裝結(jié)構(gòu)進行焊接時即可采用融化溫度低于200攝氏度的焊料。
[0037]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，，能夠取得下列有益效果:
[0038](I)本發(fā)明提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，由碳化硅功率器件構(gòu)成的半橋電路結(jié)構(gòu)，有效地減少了功率回路的面積，從而減小了功率回路的寄生電感；
[0039](2)本發(fā)明提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，由于碳化硅功率器件半橋電路結(jié)構(gòu)的輸入、輸出端子的布局使得換流路徑上的導(dǎo)體呈平行結(jié)構(gòu)，因此在開關(guān)管換流過程中構(gòu)成了電流流向相反的功率導(dǎo)線，利用互感抵消起到減小開關(guān)管換流回路的寄生電感的作用，由此起到減小功率器件開關(guān)過程中的過電壓和振蕩；
[0040](3)本發(fā)明提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，由于驅(qū)動信號利用Kelvin連接方式，并且驅(qū)動信號線與功率線呈垂直結(jié)構(gòu)，起到有效降低驅(qū)動回路與功率回路之間的耦合的作用，進而降低功率回路對驅(qū)動回路的干擾，增強驅(qū)動的穩(wěn)定性；
[0041](4)本發(fā)明提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，將PCB板上的焊盤直接作為功率端子和驅(qū)動端子;這種功率端子與驅(qū)動端子均包含在PCB板中的結(jié)構(gòu)，使得該封裝結(jié)構(gòu)可以直接外延與主電路、驅(qū)動電路相連，起到減少功率端子的作用，進一步起到減少功率端子帶來的接觸電阻和寄生電感的作用，還可以降低成本；
[0042](5)本發(fā)明提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)以及封裝方法，DBC基板和PCB板的之間的焊接采用全面焊接，極大的增強了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。
【附圖說明】
[0043]圖1是本發(fā)明實施例提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；
[0044]圖2是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)中DBC基板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)中PCB板的背面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)的隱藏外殼后的截面示意圖；
[0047]圖5是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的半橋模塊的電路原理圖；
[0048]圖6是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)的平面示意圖；
[0049]圖7是本發(fā)明實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)與外部電路連接方式的示例圖；
[0050]圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例提供的封裝方法的流程示意圖；
[0051]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-DBC基板、2-第一碳化娃MOS管、3-PCB板、4-外殼、5-圓孔、6-硅凝膠、7-DBC基板陶瓷層、8-DBC基板底層散熱面、9-DBC基板上層第一焊接面、1-DBC基板上層第二焊接面、11-PCB板底層第一焊盤、12-PCB板底層第二焊盤、13-roC板過孔、14-PCB板第一窗口、15-PCB板第二窗口、16-PCB板第三窗口、17-PCB板第四窗口、18-第二碳化娃MOS管、19-第一碳化硅SK)芯片、20-第二碳化硅SBD芯片、21-第一鍵合線、22-第二鍵合線、23-第三鍵合線、24-第四鍵合線、25.1-PCB板頂層第一焊盤、25.2-PCB板頂層第二焊盤、26.1-PCB頂層第三焊盤、26.2-PCB板第四焊盤、27-PCB板頂層銅箔、28-PCB板頂層第五焊盤、29-PCB板頂層第六焊盤、30-PCB板頂層第七焊盤、31-PCB板頂層第八焊盤、32-第五鍵合線、33-第六鍵合線、34-第七鍵合線、35-第八鍵合線。
【具體實施方式】
[0052]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0053]如圖1所示，是本發(fā)明實施例提供的碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，該封裝結(jié)構(gòu)包括DBC基板1、碳化硅功率器件、PCB板3、外殼4。
[0054]PCB板3、碳化硅功率器件焊接在DBC基板I上;外殼4通過密封膠與PCB板3粘接在一起，外殼4殼體的正面有直徑為2mm?4mm的孔5，通過孔5向封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)注入娃凝膠6 ；實施例中，硅凝膠6為玻璃化耐200度高溫的，硅凝膠6的灌封高度以將所有引線浸沒為準。
[0055]圖2所不，是實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)中的DBC基板I的結(jié)構(gòu)不意圖；實施例中，DBC基板I為三層結(jié)構(gòu)，中間層為陶瓷層7，上、下層均為高導(dǎo)無氧銅箔；
[0056]上層高導(dǎo)無氧銅箔被刻蝕為第一焊接面9和第二焊接面10;第一焊接面9與第二焊接面10之間的間距離根據(jù)半橋電路的最高工作電壓設(shè)定，實施例中設(shè)為1_，確?？梢蕴峁┯行У慕^緣;下層高導(dǎo)無氧銅箔8的底面可用作與散熱器相連的散熱面;陶瓷層11將碳化硅功率器件產(chǎn)生的熱量傳到該散熱面，并在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電氣部件與散熱面之間形成絕緣層。
[0057]圖3所示是實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)中的PCB板的背面結(jié)構(gòu)示意圖，PCB板3底層的第一焊盤11與DBC基板上層銅箔第一焊接面9的尺寸相同，PCB板底層第二焊盤12與DBC基板上層銅箔第二焊接面10的尺寸相同；在PCB板3上開設(shè)有4個窗口，第二窗口 15和第三窗口 16的長5.1mm、寬4.3mm，分別用于放置第一碳化娃MOS管2、第二碳化娃MOS管18，第一窗口 14和第四窗口 17的長3.8mm、寬3.2mm，分別用于放置第一碳化硅SBD芯片19、和第二碳化硅SBD芯片20 ；實施例中，窗口尺寸根據(jù)芯片尺寸確定。
[0058]圖4所示是實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)的隱藏外殼后的截面示意圖。如圖4所示，第一碳化硅MOS管2的漏極、第一碳化硅SBD芯片19的陰極和PCB板的底層第一焊盤11焊接在DBC基板I的上層第一焊接面9;第一碳化娃MOS管2的源極通過第一鍵合線21連接到PCB板3的頂層第一焊盤25.1，第一碳化硅SBD芯片19的陽極通過第二鍵合線22連接到PCB板的頂層第二焊盤25.2，PCB板頂層第一焊盤25.1和PCB板頂層第二焊盤25.2經(jīng)過孔13連接到PCB板底層第二焊盤12;第二碳化娃MOS管18的漏極、第二碳化硅SBD芯片20的陰極和PCB板的底層第二焊盤12焊接在DBC基板I的上層第二焊接面10;第二碳化硅MOS管18的源極通過第三鍵合線23連接到PCB板頂層第三焊盤26.1，第二碳化硅SBD芯片的陽極通過第四鍵合線24連接到PCB板頂層第四焊盤26.2，PCB板頂層第三焊盤26.1和第四焊盤26.2屬于PCB頂層同一個銅箔27。
[0059]第一碳化硅MOS管2的柵極通過第五鍵合線32連接到PCB板頂層第五焊盤28，第一碳化娃MOS管2的源極通過第六鍵合線33連接到PCB板頂層第六焊盤29;第二碳化娃MOS管18的柵極通過第七鍵合線34連接到PCB板頂層第七焊盤30，第二碳化硅MOS管18的源極通過第八鍵合線35連接到PCB板頂層第八焊盤31。
[0060]圖5所示是實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的半橋電路的原理圖，兩個碳化娃MOS管串聯(lián)并且各自反并聯(lián)一個碳化娃SBD芯片。
[0061]由圖4和圖5可以看出，功率回路所經(jīng)過的導(dǎo)線長度大大減小，且功率回路的導(dǎo)線是平行結(jié)構(gòu)，換流時正電極11到第一碳化硅SBD芯片19陰極的導(dǎo)線、第一碳化硅SBD芯片19源極到第二碳化娃MOS管18的漏極的導(dǎo)線與第二碳化硅MOS管18的源極到負電極27的導(dǎo)線的電流流向相反，利用了互感抵消技術(shù)進一步減小了功率回路的寄生電感，從而可以降低開關(guān)過程中的過電壓和振蕩。
[0062]圖6所示是實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)的平面示意圖，PCB板3的頂層銅箔經(jīng)過蓋油處理，裸露出8個焊盤，其中頂層第一焊盤25.1和第二焊盤25.2和頂層銅箔27沒有電氣連接關(guān)系;頂層第三焊盤26.1和第四焊盤26.2屬于頂層銅箔27;半橋電路結(jié)構(gòu)的三個功率端子11、12和27與驅(qū)動信號端子28、29、30和31包含在PCB板3內(nèi)；PCB板3的底層焊盤29作為半橋電路的正電極，PCB板3的底層焊盤28作為半橋電路的橋臂中點輸出電極;PCB板3的頂層銅箔27作為半橋電路的負電極;PCB板3的頂層第五焊盤28、第六焊盤29、第七焊盤30、第八焊盤31分別作為半橋電路結(jié)構(gòu)的4個驅(qū)動端子。
[0063]結(jié)合圖1、圖4和圖5，可以看出，在實施例提供的封裝結(jié)構(gòu)的布局方式所形成的半橋電路中，上橋臂的MOS管2和下橋臂的二極管20、下橋臂的MOS管18和上橋臂的二極管19的換流回路所流經(jīng)的路線大大減?。煌瑫r在換流過程中，功率端子11、12、27和引線21、22、23、24存在電流流向相反的結(jié)構(gòu)，充分利用了互感抵消技術(shù)進一步減小了寄生電感。
[0064]如圖6所示，半橋電路中的兩個MOS管的驅(qū)動信號線采用Kelvin連接方式，上管的驅(qū)動信號線32、33和功率線21呈垂直結(jié)構(gòu)，下管的驅(qū)動信號線34、35和功率線23呈垂直結(jié)構(gòu)；圖6所示的信號線的連接方式極大地減小了驅(qū)動回路的寄生電感，消除了共源電感對驅(qū)動回路造成的干擾;而信號線與功率線的垂直結(jié)構(gòu)極大地減小了驅(qū)動回路與功率回路的耦合，從而增強了驅(qū)動的穩(wěn)定性。
[0065]圖7所示是實施例的封裝結(jié)構(gòu)與外部電路連接的示例圖；其中，PCB板可以擴展到外部電路，功率端子和信號端子可直接與外部電路連接;封裝結(jié)構(gòu)中的PCB板可作為外部電路的一部分，將驅(qū)動電路、主電路結(jié)構(gòu)直接設(shè)計在同一塊PCB板上;這種連接方式省去連接弓丨線和端子，有效的降低了接觸電阻和寄生電感，同時節(jié)省了成本。
[0066]圖8所示，是本發(fā)明實施例提供的碳化硅功率器件封裝方法的流程示意，具體包括以下步驟:
[0067](I)根據(jù)MOS管與SBD芯片的封裝規(guī)格制備DBC基板和PCB板;其中DBC基板的絕緣層采用具有高熱導(dǎo)率的氮化鋁(AlN)材料;DBC基板的上層銅箔刻蝕為如圖2所示的結(jié)構(gòu)，包括兩個焊接面；
[0068]采用超聲波清洗結(jié)合化學(xué)清洗的方法清除DBC基板和PCB板表面的顆粒物質(zhì)和離子雜質(zhì)；
[0069](2)在DBC基板的兩個焊接面上印刷錫膏，將芯片和PCB板焊接在DBC基板上;實施例中，采用的高溫焊料是熔點為220攝氏度的錫、銀、銅的混合材料，錫、銀、銅的比例為96.5:3:0.5；通過鋼網(wǎng)將焊料絲印到DBC的兩個焊接面上；通過真空高溫回流焊將芯片和PCB板焊接在DBC基板上；
[0070](3)采用引線鍵合將MOS管與SBD器件的電極與PCB板的焊盤進行電連接;其中，弓I線的兩端通過鍵合工藝分別連接到芯片的電極與PCB板的焊盤上；引線的數(shù)量和粗細根據(jù)芯片電極的面積和所通過電流的大小確定；
[0071 ] (4)安裝外殼，填充硅凝膠;實施例中，通過密封劑將外殼粘合在PCB板上，外殼的大小以能夠完全覆蓋PCB板上的電路結(jié)構(gòu)為準;硅凝膠通過點膠法灌入到外殼內(nèi)，灌封后靜置24小時直至硅凝膠固化。
[0072]所述的封裝方法使PCB板底層焊盤和DBC基板上層焊接面實現(xiàn)了全面焊接，增強了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性;另外在外殼中填充耐高溫的硅凝膠，不僅起到增強絕緣的作用，還可以有效地保護芯片和鍵合線，增強封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0073]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種碳化硅功率器件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括DBC基板、貼裝在DBC基板(I)上的碳化硅功率器件、焊接在DBC基板(I)上開有窗口的PCB板(3)和外殼(4); 所述碳化硅功率器件在DBC基板(I)上的貼裝位置與PCB板(3)的窗口對應(yīng);碳化硅功率器件的電極與PCB板(3)之間通過引線鍵合實現(xiàn)電氣連接； 所述外殼(4)固定在PCB板(3)上，具有可完全包圍PCB板(3)的底面積，外殼(4)的高度高于引線高度;所述外殼(4)將DBC基板(I)、PCB板(3)與碳化硅功率器件罩起來，起保護封裝結(jié)構(gòu)的作用;在外殼(4)與DBC基板(I)、PCB板(3)和碳化硅功率器件之間的空隙空間，灌注有絕緣保護膠。2.如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述DBC基板(I)為三層結(jié)構(gòu)；其中間層為絕緣傳熱材料，上、下層均為高導(dǎo)材料;所述上層的表面劃分為互相絕緣的第一焊接面(9)和第二焊接面(10);所述第一焊接面(9)與第二焊接面(10)之間的間距大于碳化硅功率器件最大工作電壓對應(yīng)的電氣絕緣距離。3.如權(quán)利要求2所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳化硅功率器件包括第一碳化硅MOS管(2)、第二碳化娃MOS管(18)、第一碳化硅SBD芯片(19)、第二碳化硅SBD芯片(20)； 所述第一碳化娃MOS管(2)與第一碳化硅SBD芯片(19)貼裝在第一焊接面(9)，所述第二碳化娃MOS管芯片(18)與第二碳化硅SBD芯片(20)貼裝在第二焊接面(10); 所述第一碳化娃MOS管(2)的漏極、第一碳化硅SBD芯片(19)的陰極和PCB板底層第一焊盤(11)焊接在所述第一焊接面(9);第一碳化硅MOS管(2)的源極與PCB板頂層第一焊盤(25.1)通過第一鍵合線(21)連接，第一碳化硅SBD芯片(19)的陽極與PCB板頂層第二焊盤(25.2)通過第二鍵合線(22)連接;PCB板頂層第一焊盤(25.1)和頂層第二焊盤(25.2)經(jīng)過孔與PCB板底層第二焊盤(12)連接； 所述第二碳化硅MOS管(18)的漏極、第二碳化硅SBD芯片(20)的陰極和PCB板底層第二焊盤(12)焊接在所述第二焊接面(10);第二碳化娃MOS管(18)的源極與PCB板頂層第三焊盤(26.1)通過第三鍵合線(23)連接，第二碳化硅SBD芯片(20)的陽極與PCB頂層第四焊盤(26.2)通過第四鍵合線(24)連接； 第一碳化娃MOS管(2)的柵極與PCB頂層第五焊盤(28)通過第五鍵合線(32)連接； 第一碳化娃MOS管(2)的源極與PCB頂層第六焊盤(29)通過第六鍵合線(33)連接； 第二碳化娃MOS管(18)的柵極與PCB頂層第七焊盤(30)通過第七鍵合線(34)連接； 第二碳化娃MOS管(18)的源極與PCB頂層第八焊盤(31)通過第八鍵合線(35)連接。4.如權(quán)利要求3所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述PCB板的頂層銅箔(27)、底層第一焊盤(U)、底層第二焊盤(12)作為所述封裝結(jié)構(gòu)的功率端子;PCB板的頂層第五焊盤(28)、第六焊盤(29)、第七焊盤(30)、第八焊盤(31)作為所述封裝結(jié)構(gòu)的驅(qū)動信號端子;功率端子和驅(qū)動信號端子可用于直接連接外部主電路或驅(qū)動電路;將該封裝結(jié)構(gòu)與外部電路連接時，不需要附加功率端子，減少了功率端子帶來的接觸電阻和寄生電感。5.如權(quán)利要求4所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，連接所述驅(qū)動信號端子與碳化硅MOS管電極的鍵合線采用Kelvin連接方式;并且連接驅(qū)動信號端子與第一、第二碳化娃MOS管柵極和源極的驅(qū)動信號線與連接第一、第二碳化硅MOS管源極與PCB焊盤的功率線互相垂直;起到降低驅(qū)動回路與功率回路之間的耦合的作用，以減少功率回路對驅(qū)動回路的干擾，增強了驅(qū)動的穩(wěn)定性。6.如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述PCB板(3)上設(shè)置的窗口的尺寸與待封裝碳化硅功率器件的尺寸匹配，使得加工過程中碳化硅功率器件可從所述窗口安放到DBC基板上;窗口個數(shù)與待封裝碳化硅功率器件的個數(shù)相同。7.如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述DBC基板(I)采用雙面覆銅的陶瓷基板，其中間層采用氮化鋁、氧化鋁、氮化硅或氧化鈹中的一種；其上、下層均采用高導(dǎo)無氧銅;所述中間層將碳化硅功率器件產(chǎn)生的熱量傳遞到DBC底部散熱面，并實現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電氣部件對散熱器的絕緣隔離。8.如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外殼上設(shè)有孔洞(5)，用來注入絕緣凝膠，孔洞(5)的直徑為2mm?4_。9.一種碳化硅功率器件的封裝方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)根據(jù)擬封裝的碳化硅功率器件制備DBC基板和PCB板;所述PCB板上開有窗口；窗口個數(shù)與擬封裝的碳化硅功率器件的個數(shù)相同，窗口尺寸與擬封裝的碳化硅功率器件尺寸匹配； (2)將PCB板焊接在DBC基板上，并將碳化硅功率器件從PCB板的窗口焊接到DBC基板上； (3)采用引線鍵合工藝將碳化硅功率器件的電極與PCB板焊盤進行電連接； (4)將外殼固定在PCB板上，并將絕緣硅凝膠注入外殼中，靜置使絕緣硅凝膠固化。10.如權(quán)利要求9所述的封裝方法，其特征在于，所述步驟(I)所制備得到的DBC基板的上層銅箔具有兩個矩形焊接面，這兩個矩形焊接面之間的間距為1mm。11.如權(quán)利要求9所述的封裝方法，其特征在于，所述步驟(2)中，在將PCB板焊接在DBC基板上之前，還包括清洗步驟:采用超聲波清洗和化學(xué)清洗的方法清除DBC基板和PCB板表面的顆粒物和離子雜質(zhì)。12.如權(quán)利要求9所述的封裝方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為:將引線的一端通過鍵合工藝連接到碳化硅功率器件的上表面電極，將引線的另一端通過鍵合工藝連接到PCB板的焊盤上。13.如權(quán)利要求9所述的封裝方法，其特征在于，所述步驟(2)包括如下子步驟: (2.1)將融化溫度超過200攝氏度的高溫焊料通過絲網(wǎng)印刷涂在DBC基板上表面的焊接面； (2.2)根據(jù)上述焊接面的位置貼裝PCB板，并通過PCB板上的窗口將碳化硅功率器件放置在DBC基板上表面的焊接面上； (2.3)采用真空回流焊的方法將碳化硅功率器件和PCB板焊接在DBC基板的焊接面上。14.如權(quán)利要求13所述的封裝方法，其特征在于，所述步驟(2.1)中采用的高溫焊料為錫、銀、銅的混合材料，錫、銀、銅的比例為9 6.5:3:0.5。
【文檔編號】H01L21/60GK105914185SQ201610454443
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】陳材, 黃志召, 李宇雄, 方建明, 陳宇, 康勇
【申請人】華中科技大學(xué)