【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力电子器件封装集成，具体为一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块设计。
技术介绍
1、近年来，以碳化硅为代表的宽带隙半导体器件发展迅猛，在高频、高温、高压等领域都展现出了优异的特性。但是，受限于目前落后的半导体封装技术，碳化硅的优良特性并不能得到充分的发挥。尤其在电动汽车、光伏发电、轨道交通等新领域的应用场景要求越来越高的功率等级，这对新型封装技术的研发带来了更大的挑战。
2、不仅如此，在电动汽车长时间高温运行环境下，功率模块的散热能力也成为了至关重要的一点。双面散热模块作为新型封装的提出，通过平面互连等方式取代了传统的键合线工艺，从而实现双面冷却散热，极大地提高了功率模块的散热性能和可靠性，是作为电动汽车应用领域下新的封装解决方案。然而，随着电动汽车应用场景电流等级的提升，受限于单芯片碳化硅的电流容量，多芯片并联甚至多模块并联成为主流解决方案。对于多芯片并联或者多模块并联的使用场景，还存在由于源极寄生电感的差异而引起的并联动态不均流问题，电流分配不均会导致不同芯片间损耗的差异，使系统整体可靠性降低。
3、而受限于双面模块自身三维结构和制作工艺的难度，一个双面模块内部不适合并联太多碳化硅功率芯片，这会导致功率模块内部换流回路更长，出现因各并联芯片之间支路阻抗的不匹配导致的严重不均流现象，因此研发一款内部并联芯片电流均衡并适用于多模块并联的双面模块才是在电动汽车应用领域提高功率等级后的解决方案。
4、在此背景下，一个桥臂两芯片并联的双面碳化硅模块可以通过优化功率回路布局实现完全
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块设计，解决目前电动汽车领域面临的散热问题和寄生参数不匹配带来的不均流问题。
2、一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块设计，所述功率模块呈半桥结构，包括上半桥臂、下半桥臂、上桥臂dbc基板、下桥臂dbc基板、集成驱动电阻、功率正端子、功率负端子、交流功率端子和辅助端子，上半桥臂与下半桥臂中均设置有两个并联的碳化硅功率芯片，且两个并联的碳化硅功率芯片布局完全对称，记作上桥臂碳化硅功率芯片和下桥臂碳化硅功率芯片；上半桥臂中设置有上桥臂驱动负端子和上桥臂驱动正端子，下半桥臂中设置有下桥臂驱动负端子和下桥臂驱动正端子；上桥臂dbc基板上设置有上桥臂金属柱，下桥臂dbc基板上设置有下桥臂金属柱；功率正端子和功率负端子位于同一侧，功率正端子和交流功率端子位于相对侧；
3、上半桥臂中，上桥臂碳化硅功率芯片的漏极、功率正端子和功率负端子均连接于上桥臂dbc基板的上铜层上，功率源极通过上桥臂金属柱与下桥臂dbc基板的下铜层连接，驱动源极与上桥臂驱动负端子连接，驱动栅极与上桥臂驱动正端子连接，上桥臂的驱动源极和栅极的覆铜处均设置有集成驱动电阻；
4、下半桥臂中，下桥臂碳化硅功率芯片的漏极和交流功率端子均与下桥臂dbc基板的下铜层连接，功率源极通过下桥臂金属柱与上桥臂dbc基板的上铜层连接；驱动源极与下桥臂驱动负端子连接，驱动栅极与下桥臂驱动正端子连接，在下桥臂驱动源极与栅极覆铜处均设置有集成驱动电阻；
5、辅助端子连接于下桥臂dbc基板的下铜层上，作为上半桥臂或者下半桥臂功率芯片的等效漏极或者源极；
6、上桥臂dbc基板和下桥臂dbc基板之间设置有支撑金属柱。
7、优选的，上桥臂碳化硅功率芯片通过焊接或者烧结的方式连接在上桥臂dbc基板；下桥臂碳化硅功率芯片通过焊接或者烧结的方式连接在下桥臂dbc基板；功率正端子、功率负端子、交流功率端子、集成驱动电阻、辅助端子、上桥臂驱动负端子、上桥臂驱动正端子、下桥臂驱动正端子和下桥臂驱动负端子均焊接在所属dbc基板的铜层上。
8、优选的，上桥臂碳化硅功率芯片的栅极和源极通过键合线与上桥臂dbc基板的铜层连接；下桥臂碳化硅功率芯片的栅极和源极通过键合线与下桥臂dbc基板铜层连接；上桥臂碳化硅功率芯片的栅级铜层和源极铜层通过集成驱动电阻分别与上桥臂碳化硅功率芯片的栅极正、负端子相连；下桥臂碳化硅功率芯片的栅极铜层和源极铜层通过集成驱动电阻分别与下桥臂碳化硅功率芯片的栅极正、负端子相连。
9、优选的，上桥臂碳化硅功率芯片和下桥臂碳化硅功率芯片通过在甲酸气氛下加压烧结银的烧结方法与对应的dbc基板的铜层连接。
10、优选的，功率正端子、功率负端子、交流功率端子、集成驱动电阻、辅助端子通过真空高温回流焊焊锡膏的方式与对应的dbc基板的铜层连接。
11、优选的，上桥臂dbc基板和下桥臂dbc基板的结构相同，均为三层结构，上、下层为镀金导电铜层，中间层为绝缘陶瓷层。
12、优选的，陶瓷层采用aln材质制成，铜层采用cu材质制成。
13、优选的，功率正端子、功率负端子、交流功率端子、上桥臂驱动负端子、上桥臂驱动正端子、下桥臂驱动正端子和下桥臂驱动负端子均采用紫铜材料制成。
14、优选的，上桥臂金属柱、下桥臂金属柱和支撑金属柱均采用cu-mo-cu专用叠层金属柱结构。
15、优选的，该双面模块的内部空隙采用硅凝胶进行灌封。
16、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
17、本专利技术公开了一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块中两个并联的上桥臂碳化硅功率芯片的漏极与功率正端子通过上桥臂dbc基板上铜层进行连接，上桥臂的两个并联碳化硅功率芯片功率源极通过上桥臂金属柱与下桥臂dbc基板下铜层连接，并与交流功率端子相连；下桥臂碳化硅功率芯片漏极与交流功率端子通过下桥臂dbc基板下铜层进行连接，两个并联的下桥臂碳化硅功率芯片的功率源极通过下桥臂金属柱与dbc基板上铜层连接，并与功率负端子相连。模块的正负极连接节点、交流中间节点均通过功率端子进行引出，上、下半桥的驱动连接点也通过驱动端子进行引出，上桥臂dbc基板和下桥臂dbc基板通过金属柱实现硬件和电气连接。还设置辅助端子作为上半桥臂或者下半桥臂功率芯片的等效漏极或者源极以减小测量误差，这是为了方便进行模块测试。
18、本专利技术一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块通过将两个芯片并联完全对称的布局设计，同时，功率端子与交流功率端子位于相对侧，可以优化降低模块寄生参数在8nh以内，满足绝缘间距的需求，并且兼容大部分电动汽车应用场景下的电气、机械连接结构。模块内部集成的驱动电阻也可以抑制因为开关频率过高产生的栅源串扰现象，更有利于多模块并联。不仅如此，本专利技术探究了芯片与dbc基板之间互连的烧结银工艺，有利于工作在电动汽车要求越来越更高的环境温度下。最后，利用cu-mo-cu金属柱代替键合线实现上下dbc基板的互连有利于降低热-机械应力，实现双面散热，从本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块设计，其特征在于，所述功率模块呈半桥结构，包括上半桥臂、下半桥臂、上桥臂DBC基板(10)、下桥臂DBC基板(11)、集成驱动电阻(8)、功率正端子(1)、功率负端子(2)、交流功率端子(3)和辅助端子(9)，上半桥臂与下半桥臂中均设置有两个并联的碳化硅功率芯片，且两个并联的碳化硅功率芯片布局完全对称，记作上桥臂碳化硅功率芯片(14)和下桥臂碳化硅功率芯片(12)；上半桥臂中设置有上桥臂驱动负端子(6)和上桥臂驱动正端子(7)，下半桥臂中设置有下桥臂驱动负端子(5)和下桥臂驱动正端子(4)；上桥臂DBC基板(10)上设置有上桥臂金属柱(15)，下桥臂DBC基板(11)上设置有下桥臂金属柱(13)；功率正端子(1)和功率负端子(2)位于同一侧，功率正端子(1)和交流功率端子(3)位于相对侧；
2.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂碳化硅功率芯片(14)通过焊接或者烧结的方式连接在上桥臂DBC基板(10)；下桥臂碳化硅功率芯片(12)通过焊接或者烧结的方式连接在下桥臂DBC基板(11)；功
3.根据权利要求2所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂碳化硅功率芯片(14)的栅极和源极通过键合线与上桥臂DBC基板(10)的铜层连接；下桥臂碳化硅功率芯片(12)的栅极和源极通过键合线与下桥臂DBC基板(11)铜层连接；上桥臂碳化硅功率芯片(14)的栅级铜层和源极铜层通过集成驱动电阻(8)分别与上桥臂碳化硅功率芯片(14)的栅极正、负端子相连；下桥臂碳化硅功率芯片(12)的栅极铜层和源极铜层通过集成驱动电阻(8)分别与下桥臂碳化硅功率芯片(12)的栅极正、负端子相连。
4.根据权利要求2所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂碳化硅功率芯片(14)和下桥臂碳化硅功率芯片(12)通过在甲酸气氛下加压烧结银的烧结方法与对应的DBC基板的铜层连接。
5.根据权利要求2所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，功率正端子(1)、功率负端子(2)、交流功率端子(3)、集成驱动电阻(8)、辅助端子(9)通过真空高温回流焊焊锡膏的方式与对应的DBC基板的铜层连接。
6.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂DBC基板(10)和下桥臂DBC基板(11)的结构相同，均为三层结构，上、下层为镀金导电铜层，中间层为绝缘陶瓷层。
7.根据权利要求6所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，陶瓷层采用AlN材质制成，铜层采用Cu材质制成。
8.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，功率正端子(1)、功率负端子(2)、交流功率端子(3)、上桥臂驱动负端子(6)、上桥臂驱动正端子(7)、下桥臂驱动正端子(4)和下桥臂驱动负端子(5)均采用紫铜材料制成。
9.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂金属柱(15)、下桥臂金属柱(13)和支撑金属柱(16)均采用Cu-Mo-Cu专用叠层金属柱结构。
10.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，该双面模块的内部空隙采用硅凝胶进行灌封。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于多模块并联的碳化硅双面功率模块设计，其特征在于，所述功率模块呈半桥结构，包括上半桥臂、下半桥臂、上桥臂dbc基板(10)、下桥臂dbc基板(11)、集成驱动电阻(8)、功率正端子(1)、功率负端子(2)、交流功率端子(3)和辅助端子(9)，上半桥臂与下半桥臂中均设置有两个并联的碳化硅功率芯片，且两个并联的碳化硅功率芯片布局完全对称，记作上桥臂碳化硅功率芯片(14)和下桥臂碳化硅功率芯片(12)；上半桥臂中设置有上桥臂驱动负端子(6)和上桥臂驱动正端子(7)，下半桥臂中设置有下桥臂驱动负端子(5)和下桥臂驱动正端子(4)；上桥臂dbc基板(10)上设置有上桥臂金属柱(15)，下桥臂dbc基板(11)上设置有下桥臂金属柱(13)；功率正端子(1)和功率负端子(2)位于同一侧，功率正端子(1)和交流功率端子(3)位于相对侧；
2.根据权利要求1所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂碳化硅功率芯片(14)通过焊接或者烧结的方式连接在上桥臂dbc基板(10)；下桥臂碳化硅功率芯片(12)通过焊接或者烧结的方式连接在下桥臂dbc基板(11)；功率正端子(1)、功率负端子(2)、交流功率端子(3)、集成驱动电阻(8)、辅助端子(9)、上桥臂驱动负端子(6)、上桥臂驱动正端子(7)、下桥臂驱动正端子(4)和下桥臂驱动负端子(5)均焊接在所属dbc基板的铜层上。
3.根据权利要求2所述的适用于多模块并联碳化硅双面功率模块，其特征在于，上桥臂碳化硅功率芯片(14)的栅极和源极通过键合线与上桥臂dbc基板(10)的铜层连接；下桥臂碳化硅功率芯片(12)的栅极和源极通过键合线与下桥臂dbc基板(11)铜层连接；上桥臂碳化硅功率芯片(14)的栅级铜层和源极铜层通过集成驱动电阻(8)分...
【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，龚泓舟，姚乙龙，张鑫，关国廉，张彤宇，汪岩，赵志强，高凯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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