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CN116130443A - 一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构 - Google Patents

一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构 Download PDF

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CN116130443A
CN116130443A CN202310124111.2A CN202310124111A CN116130443A CN 116130443 A CN116130443 A CN 116130443A CN 202310124111 A CN202310124111 A CN 202310124111A CN 116130443 A CN116130443 A CN 116130443A
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CN
China
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metal
metal layer
ceramic substrate
semiconductor device
heat dissipation
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CN202310124111.2A
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Inventor
陈材
刘柏寒
康勇
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Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

本申请公开了一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，包括：底层DC‑陶瓷基板、DC‑金属层、底层AC陶瓷基板、第一AC金属层、顶层DC+陶瓷基板、DC+金属层、顶层AC陶瓷基板、第二AC金属层、第一SiC功率半导体器件、第二SiC功率半导体器件、陶瓷夹层、第一阳极金属导电通孔、AC金属导电通孔、第二阳极金属导电通孔、DC‑金属接线端子、DC+金属接线端子和AC金属接线端子。本申请在两层陶瓷基板之间插入氮化铝多层陶瓷基板作为夹层，提供机械支撑，保证模块具备足够的机械强度，其陶瓷夹层起到和金属垫片相同的调节高度的作用，但热膨胀系数更接近碳化硅芯片，降低界面热应力，改善模块可靠性。

Description

一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构
技术领域
本申请涉及半导体散热领域，具体涉及一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构。
背景技术
最近，具有高开关频率、低开关损耗、高运行温度等优点的宽禁带半导体器件在功率模块行业大放异彩，逐渐成为航空航天、新能源汽车以及油气勘探领域所必须的关键部件。为了实现更高的功率密度，就要求电力电子设备的冷却系统体积尽量小，最简单、最直接的办法就是提高电力电子设备的工作温度。虽然，碳化硅功率芯片理论上是可以工作于600℃的高温，但功率模块却一直受封装材料的限制无法工作于高温环境。
传统的引线键合单面散热功率模块封装结构因散热性能和可靠性问题已经无法满足高温运行的要求，因此双面散热封装结构正逐渐占领市场。然而，由于金属垫片的引入，双面散热结构中会存在更多的连接点，因材料CTE不匹配而产生的可靠性问题仍然严峻；而且顶部基板约束了各个连接点的位移，会加剧基板应力问题，恶化整体可靠性。
为了缓解乃至解决上述问题，研发一种具备低寄生参数、强散热能力、高可靠性的碳化硅功率模块双面散热封装结构变得尤为关键。
发明内容
相比于传统引线键合单面散热封装结构，双面散热封装结构在电热性能上均有大幅改善，但为了更好的迎合高温应用场景对可靠性提出的苛刻要求。
为达到上述目的，本申请提供了以下方案：
一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，包括：底层DC-陶瓷基板、DC-金属层、底层AC陶瓷基板、第一AC金属层、顶层DC+陶瓷基板、DC+金属层、顶层AC陶瓷基板、第二AC金属层、第一SiC功率半导体器件、第二SiC功率半导体器件、陶瓷夹层、第一阳极金属导电通孔、AC金属导电通孔、第二阳极金属导电通孔、DC-金属接线端子、DC+金属接线端子和AC金属接线端子。
优选的，所述底层DC-陶瓷基板的顶部覆有所述DC-金属层；
所述底层AC陶瓷基板的顶部覆有所述第一AC金属层；
所述顶层AC陶瓷基板的底部覆有所述第二AC金属层；
所述顶层DC+陶瓷基板的底部覆有所述DC+金属层。
优选的，所述陶瓷夹层内部集成有所述第一阳极金属导电通孔、所述AC金属导电通孔和所述第二阳极金属导电通孔。
优选的，所述第一SiC功率半导体器件的底部阴极金属焊盘与所述DC-金属层连接，所述第一SiC功率半导体器件的顶部阳极金属焊盘与所述第一阳极金属导电通孔的下表面连接；
所述第二SiC功率半导体器件的底部阴极金属焊盘与所述第一AC金属层连接，所述第二SiC功率半导体器件的顶部阳极金属焊盘与所述第二阳极金属导电通孔的下表面连接；
所述第一阳极金属导电通孔的上表面与所述第二AC金属层连接；
所述第二阳极金属导电通孔的上表面与所述DC+金属层连接；
所述第一AC金属层和所述第二AC金属层通过所述AC金属导电通孔连接。
优选的，所述DC-金属层与所述DC-金属接线端子连接；
所述第一AC金属层与所述AC金属接线端子连接；
所述DC+金属层与所述DC+金属接线端子连接。
优选的，所述DC-金属层与所述第一SiC功率半导体器件和所述DC-金属接线端子通过纳米银烧结；
所述第一AC金属层与所述第二SiC功率半导体器件和所述AC金属接线端子通过纳米银烧结；
所述第一阳极金属导电通孔与所述第一SiC功率半导体器件和所述第二AC金属层通过纳米银烧结；
所述AC金属导电通孔与所述第一AC金属层和所述第二AC金属层通过纳米银烧结；
所述第二阳极金属导电通孔与所述第二SiC功率半导体器件和所述DC+金属层通过纳米银烧结；
所述DC+金属层与所述DC+金属接线端子通过纳米银烧结。
优选的，所述底层DC-陶瓷基板、所述底层AC陶瓷基板、所述顶层DC+陶瓷基板和所述顶层AC陶瓷基板选用AMB基板，所述基板的材料选用氮化硅。
优选的，所述陶瓷夹层的材料选用氮化铝。
本申请的有益效果为：
(1)本申请的碳化硅功率模块双面散热封装结构，在两层陶瓷基板之间插入氮化铝多层陶瓷基板作为夹层，提供机械支撑，保证模块具备足够的机械强度；
(2)本申请的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其陶瓷夹层起到和金属垫片相同的调节高度的作用，但热膨胀系数更接近碳化硅芯片，降低界面热应力，改善模块可靠性；
(3)本申请的碳化硅功率模块双面散热封装结构，用陶瓷夹层填充了两层陶瓷基板间空气所占的空间，既在一定程度上保护了芯片免受尘土、水汽的侵害，又可提升基板间的绝缘强度；
(4)本申请的碳化硅功率模块双面散热封装结构，陶瓷基板不再是一块，而是按照金属层的功能(如DC+、AC、DC-)将基板分块，基板尺寸更小，简化了各块基板的铜层形状，应力问题得到缓解，模块可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例的一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构的拆解图；
图2是本申请实施例的封装结构的外部结构示意图；
图3是本申请实施例的封装结构的截面图；
图4是本申请实施例的封装结构中陶瓷夹层的上下表面的示意图。
附图标记：
1、DC-陶瓷基板；2、DC-金属层；3、底层AC陶瓷基板；4、第一AC金属层；5、顶层AC陶瓷基板；6、第二AC金属层；7、顶层DC+陶瓷基板；8、DC+金属层；9、第一SiC功率半导体器件；10、第二SiC功率半导体器件；11、陶瓷夹层；12、第一阳极金属导电通孔；13、AC金属导电通孔；14、第二阳极金属导电通孔；15、DC-金属接线端子；16、AC金属接线端子；17、DC+金属接线端子。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
在本实施例中，如图1-4所示，一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，包括：底层DC-陶瓷基板1、DC-金属层2、底层AC陶瓷基板3、第一AC金属层4、顶层DC+陶瓷基板7、DC+金属层8、顶层AC陶瓷基板5、第二AC金属层6、第一SiC功率半导体器件9、第二SiC功率半导体器件10、陶瓷夹层11、第一阳极金属导电通孔12、AC金属导电通孔13、第二阳极金属导电通孔14、DC-金属接线端子15、DC+金属接线端子17和AC金属接线端子16。
底层DC-陶瓷基板1的顶部覆有DC-金属层2，底层AC陶瓷基板3的顶部覆有第一AC金属层4，顶层AC陶瓷基板5的底部覆有第二AC金属层6，顶层DC+陶瓷基板7的底部覆有DC+金属层8。陶瓷夹层11内部集成有第一阳极金属导电通孔12、AC金属导电通孔13和第二阳极金属导电通孔14。
第一SiC功率半导体器件9的底部阴极金属焊盘与DC-金属层2连接，第一SiC功率半导体器件9的顶部阳极金属焊盘与第一阳极金属导电通孔12的下表面连接；
第二SiC功率半导体器件10的底部阴极金属焊盘与第一AC金属层4连接，第二SiC功率半导体器件10的顶部阳极金属焊盘与第二阳极金属导电通孔14的下表面连接；
第一阳极金属导电通孔12的上表面与第二AC金属层6连接，第二阳极金属导电通孔14的上表面与DC+金属层8连接，第一AC金属层4和第二AC金属层6通过AC金属导电通孔13连接。
DC-金属层2与DC-金属接线端子15连接，第一AC金属层4与AC金属接线端子16连接，DC+金属层8与DC+金属接线端子17连接。
DC-金属层2与第一SiC功率半导体器件9和DC-金属接线端子15通过纳米银烧结，第一AC金属层4与第二SiC功率半导体器件10和AC金属接线端子16通过纳米银烧结，第一阳极金属导电通孔12与第一SiC功率半导体器件9和第二AC金属层6通过纳米银烧结，AC金属导电通孔13与第一AC金属层4和第二AC金属层6通过纳米银烧结，第二阳极金属导电通孔14与第二SiC功率半导体器件10和DC+金属层8通过纳米银烧结，DC+金属层8与DC+金属接线端子17通过纳米银烧结。在本实施例中，纳米银的具体烧结过程为：将纳米银膏涂至待烧结部件表面，再贴装至另一待烧结部件表面，在100℃环境下预加热10分钟，最后在空气或者氮气氛围中烧结20分钟，烧结温度为250℃，烧结压力为10～30MPa。
底层DC-陶瓷基板1、底层AC陶瓷基板3、顶层DC+陶瓷基板5和顶层AC陶瓷基板7选用AMB(活性金属钎焊)基板，基板的材料选用氮化硅(Si3N4)，其中，氮化硅既可以满足机械强度和散热性能的要求，又可以更好地匹配碳化硅的热膨胀系数，降低基板和芯片上的热应力，改善模块可靠性，在氮化硅陶瓷材料上的相应区域采用AMB工艺进行金属化，并在金属层表面镀金，便于后续芯片、陶瓷夹层11金属化区域通过纳米银烧结实现电气连接；陶瓷夹层11的材料选用氮化铝(AlN)，其中，氮化铝陶瓷的散热性能良好，且热膨胀系数与碳化硅相接近，可改善可靠性。在本实施例中，陶瓷夹层11内部的第一阳极金属导电通孔12、AC金属导电通孔13、第二阳极金属导电通孔14选用钨作为填充金属。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，包括：底层DC-陶瓷基板、DC-金属层、底层AC陶瓷基板、第一AC金属层、顶层DC+陶瓷基板、DC+金属层、顶层AC陶瓷基板、第二AC金属层、第一SiC功率半导体器件、第二SiC功率半导体器件、陶瓷夹层、第一阳极金属导电通孔、AC金属导电通孔、第二阳极金属导电通孔、DC-金属接线端子、DC+金属接线端子和AC金属接线端子。
2.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，
所述底层DC-陶瓷基板的顶部覆有所述DC-金属层；
所述底层AC陶瓷基板的顶部覆有所述第一AC金属层；
所述顶层AC陶瓷基板的底部覆有所述第二AC金属层；
所述顶层DC+陶瓷基板的底部覆有所述DC+金属层。
3.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，所述陶瓷夹层内部集成有所述第一阳极金属导电通孔、所述AC金属导电通孔和所述第二阳极金属导电通孔。
4.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，
所述第一SiC功率半导体器件的底部阴极金属焊盘与所述DC-金属层连接，所述第一SiC功率半导体器件的顶部阳极金属焊盘与所述第一阳极金属导电通孔的下表面连接；
所述第二SiC功率半导体器件的底部阴极金属焊盘与所述第一AC金属层连接，所述第二SiC功率半导体器件的顶部阳极金属焊盘与所述第二阳极金属导电通孔的下表面连接；
所述第一阳极金属导电通孔的上表面与所述第二AC金属层连接；
所述第二阳极金属导电通孔的上表面与所述DC+金属层连接；
所述第一AC金属层和所述第二AC金属层通过所述AC金属导电通孔连接。
5.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，
所述DC-金属层与所述DC-金属接线端子连接；
所述第一AC金属层与所述AC金属接线端子连接；
所述DC+金属层与所述DC+金属接线端子连接。
6.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，
所述DC-金属层与所述第一SiC功率半导体器件和所述DC-金属接线端子通过纳米银烧结；
所述第一AC金属层与所述第二SiC功率半导体器件和所述AC金属接线端子通过纳米银烧结；
所述第一阳极金属导电通孔与所述第一SiC功率半导体器件和所述第二AC金属层通过纳米银烧结；
所述AC金属导电通孔与所述第一AC金属层和所述第二AC金属层通过纳米银烧结；
所述第二阳极金属导电通孔与所述第二SiC功率半导体器件和所述DC+金属层通过纳米银烧结；
所述DC+金属层与所述DC+金属接线端子通过纳米银烧结。
7.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，所述底层DC-陶瓷基板、所述底层AC陶瓷基板、所述顶层DC+陶瓷基板和所述顶层AC陶瓷基板选用AMB基板，所述基板的材料选用氮化硅。
8.根据权利要求1所述一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构，其特征在于，所述陶瓷夹层的材料选用氮化铝。
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CN109005669A (zh) * 2016-03-30 2018-12-14 日立汽车系统株式会社 半导体装置
CN115000041A (zh) * 2022-05-18 2022-09-02 西安交通大学 具备直接芯片电压测量的高温高频功率器件的封装结构

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