一种用于高温环境的碳化硅功率模块双面散热封装结构

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为达到上述目的，本申请提供了以下方案：

3、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。

4、优选的，所述底层dc-陶瓷基板的顶部覆有所述dc-金属层；

5、所述底层ac陶瓷基板的顶部覆有所述第一ac金属层；

6、所述顶层ac陶瓷基板的底部覆有所述第二ac金属层；

7、所述顶层dc+陶瓷基板的底部覆有所述dc+金属层。

8、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。

9、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；

10、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；

11、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；

12、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；

13、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。

14、优选的，所述dc-金属层与所述dc-金属接线端子连接；

15、所述第一ac金属层与所述ac金属接线端子连接；

16、所述dc+金属层与所述dc+金属接线端子连接。

17、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；

18、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；

19、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；

20、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；

21、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；

22、所述dc+金属层与所述dc+金属接线端子通过纳米银烧结。

23、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。

24、优选的，所述陶瓷夹层的材料选用氮化铝。

25、本申请的有益效果为：

26、(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；

27、(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；

28、(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；

29、(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。

技术特征：

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，

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，

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，

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，

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。

技术总结
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。

技术研发人员：陈材,刘柏寒,康勇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12