基于3D封装的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块

本发明属于功率半导体器件，涉及一种基于3d封装的碳化硅mosfet芯片双向开关功率模块。

背景技术：

1、电力电子系统的迅速迭代发展对电力电子器件的性能有了更高的要求，传统的si器件性能已经基本达到其物理极限，因此迫切需要发展新型半导体材料器件作为替代品。为了进一步提高开关特性和导通特性，宽禁带半导体(wbg)逐渐进入人们的视野。在相同的条件下，宽禁带半导体材料器件拥有比传统si器件更高的击穿电压、更高的导通电流、更高的工作温度、更高的开关速度以及更低的开关损耗。

2、然而现有的碳化硅分立器件每个引脚的电感值约4nh，商业大功率碳化硅模块内部的换流回路电感值普遍在15nh以上。较大的寄生电感使得开关器件在开关过程承受较大的电压过冲，并且在暂态过程伴随着电压震荡。除此之外，现有的单个碳化硅芯片通流能力有限，因此在大功率场合一般会采用多芯片并联的方式扩流。然而各个并联芯片的驱动回路寄生电感值存在差异，这将导致在开通/关断过程中流经各个芯片电流分布不均，动态过程不平衡。随着回路电感值的增加，影响愈烈，这大大限制了碳化硅器件/模块在高频场合的应用。

3、此外，热性能是评估模块可靠性的重要指标，随着电力电子系统的发展，电力电子模块所需要处理的功率等级不断攀升，随之带来的是产生大量损耗。对于传统的引线键合模块，由于仅能实现单面冷却，散热功率不足，因此难以胜任大功率场合应用。现有技术中，3d堆叠的芯片封装结构将多个芯片集成在同一封装结构中，芯片与芯片间垂直互联，可最大限度的缩短互连长度，降低寄生电容和电感，具有集成度高、体积小、功率密度高等优势，具有广泛的应用前景。但是3d封装中芯片为垂直布局结构，仍然会出现芯片热耦合导致结温过高，功率模块损坏的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于3d封装的碳化硅mosfet芯片双向开关功率模块，通过双面散热结构提高模块的散热能力，避免碳化硅芯片结温过高损坏功率模块。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于3d封装的碳化硅mosfet芯片双向开关功率模块，其包括上层散热翅片、上层散热底板、上层底板连接层、上层dbc、上层碳化硅mosfet芯片、上层碳化硅mosfet芯片焊料层、pcb板、下层碳化硅mosfet芯片、下层碳化硅mosfet芯片焊料层、下层dbc、下层底板连接层、下层散热底板和下层散热翅片。

4、其中上层碳化硅mosfet芯片通过上层碳化硅mosfet芯片焊料层焊接至上层dbc；上层dbc通过上层底板连接层与上层散热底板固定；上层散热翅片设置在上层散热底板上；下层碳化硅mosfet芯片通过下层碳化硅mosfet芯片焊料层焊接至下层dbc；下层dbc通过下层底板连接层与下层散热底板固定；下层散热翅片设置在下层散热底板上。上层碳化硅mosfet芯片和下层碳化硅mosfet芯片分别设置在pcb板的上层和下层。

5、进一步的，pcb板上引出有驱动端子和功率端子，其中驱动端子包括开尔文共源极端子、上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子，功率端子包括直流正极端子和直流负极端子。上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子分布在开尔文源极端子两侧，直流正极端子和直流负极端子分布在上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子的外侧。并且，上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子关于开尔文源极端子对称，直流正极端子和直流负极端子关于开尔文源极端子对称。

6、可选地，直流正极端子通过上层功率端子连接层与上层dbc连接，直流负极端子通过下层功率端子连接层与下层dbc连接。

7、可选地，pcb板设有过孔，通过过孔实现上层碳化硅mosfet芯片和下层碳化硅mosfet芯片间漏极的纵向连接。

8、可选地，上层散热翅片和下层散热翅片可选用圆柱形、椭圆形等柱形翅片，翅片材料为导热性能优异的铜材料。

9、本发明的有益效果在于：

10、(1)本发明采用芯片堆叠结构，通过在pcb板设置过孔以实现芯片间漏极的纵向连接，有效减小了模块体积，缩短了功率回路的长度，降低了模块的寄生电感及寄生电容，从而降低关断电压尖峰和开关振荡，提高了模块的性能；对于芯片堆叠结构导致的结温问题，本发明采用了双面散热结构，提高了模块的散热性能，避免了芯片热耦合导致结温过高，损坏功率模块的问题。

11、(2)本发明通过将引出的一个共源极端子设置于pcb板中间，上、下层芯片引出的两个栅极端子置于共源极端子两侧，两个功率端子分别置于两个栅极端子外侧，其中，所有栅极端子及功率端子均关于共源极端子中心对称分布，功率端子和驱动端子的对称分布有效降低了模块的杂散电感和电磁干扰噪声。

12、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于3d封装的碳化硅mosfet芯片双向开关功率模块，其特征在于：该功率模块包括上层散热翅片、上层散热底板、上层底板连接层、上层dbc、上层碳化硅mosfet芯片、上层碳化硅mosfet芯片焊料层、pcb板、下层碳化硅mosfet芯片、下层碳化硅mosfet芯片焊料层、下层dbc、下层底板连接层、下层散热底板和下层散热翅片；

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述pcb板上引出有驱动端子和功率端子，所述驱动端子包括开尔文共源极端子、上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子，所述功率端子包括直流正极端子和直流负极端子。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：所述上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子分布在所述开尔文源极端子两侧，所述直流正极端子和直流负极端子分布在上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子的外侧；其中，上层碳化硅mosfet芯片栅极端子和下层碳化硅mosfet芯片栅极端子关于开尔文源极端子对称，直流正极端子和直流负极端子关于开尔文源极端子对称。

4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：所述直流正极端子通过上层功率端子连接层与上层dbc连接，所述直流负极端子通过下层功率端子连接层与下层dbc连接。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述pcb板设有过孔，通过所述过孔实现上层碳化硅mosfet芯片和下层碳化硅mosfet芯片间漏极的纵向连接。

技术总结
本发明涉及一种基于3D封装的碳化硅MOSFET芯片双向开关功率模块，属于功率半导体器件技术领域。该功率模块主要包括上层DBC、上层碳化硅MOSFET芯片、上层碳化硅MOSFET芯片焊料层、PCB板、下层碳化硅MOSFET芯片、下层碳化硅MOSFET芯片焊料层、下层DBC。其中上层芯片焊接至上层DBC；上层DBC通过上层底板连接层与上层散热底板固定；下层芯片焊接至下层DBC；下层DBC通过下层底板连接层与下层散热底板固定。该功率模块使用双面散热，散热器压接在功率模块两侧，以缓解芯片热耦合导致的结温过高，从而避免功率模块损坏的问题。

技术研发人员：曾正,王思媛,邹铭锐,梁钰茜,孙鹏,牛富丽,龚佳坤
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22