本發(fā)明涉及電力電子，具體涉及一種3d封裝的低寄生電感sic功率模塊。

背景技術(shù)：

1、目前sic功率模塊在電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常包括芯片、基板、互連和封裝外殼等部分。芯片負(fù)責(zé)功率轉(zhuǎn)換，基板提供機(jī)械支撐與電氣連接，互連實(shí)現(xiàn)芯片與基板的電連接，去耦電容實(shí)現(xiàn)降低芯片開關(guān)時(shí)過沖電壓的作用，緩沖墊塊實(shí)現(xiàn)減小連接面間的熱應(yīng)力作用，延長(zhǎng)模塊壽命，封裝外殼則起保護(hù)作用。在算法方面，主要采用傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)仿真算法對(duì)模塊的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

2、cn107170714a公開了一種低寄生電感功率模塊，包括輸入功率端子、輸出功率端子、頂部金屬絕緣基板、底部金屬絕緣基板和塑封外殼，輸入功率端子包括正極功率端子、負(fù)極功率端子，頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板疊層設(shè)置，頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板在二者相對(duì)的面上均燒結(jié)有芯片，正極功率端子、負(fù)極功率端子以及與輸出功率端子均與芯片電連接；輸出功率端子包括焊接部和位于塑封外殼外部的連接部，焊接部位于頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板之間。該發(fā)明降低了回路寄生電感，減小了功率模塊的體積，節(jié)約了成本，減輕了重量，尤其適合sic功率芯片的封裝，充分提高了過流能力，提高了模塊的可靠性。

3、cn118431209a公開一種低寄生電感的sic功率模塊和制造方法，包括第一基板、第二基板、功率芯片、鍵合引線、第三基板、驅(qū)動(dòng)端子和功率端子，所述第一基板的一側(cè)為下，所述第一基板、第二基板和第三基板由下至上依次疊層排布，若干個(gè)所述功率芯片和若干個(gè)驅(qū)動(dòng)端子均固定安裝于第二基板，且所述若干個(gè)功率芯片均通過鍵合引線電連接第二基板，所述功率芯片之間形成功率回路，所述驅(qū)動(dòng)端子與功率端子均電連接第二基板，所述第二基板用于電連接功率端子的輸入端和輸出端均設(shè)置在若干個(gè)功率芯片之間，所述第二基板用于電連接功率端子的輸入端和輸出端均位于功率回路以內(nèi)，為了提升sic功率模塊的穩(wěn)定性。

4、現(xiàn)有sic功率模塊產(chǎn)品缺陷主要包括以下幾類：

5、1、寄生電感問題：傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較大的寄生電感，使器件開關(guān)速度受限、電磁干擾增加以及電壓尖峰等問題頻發(fā)，嚴(yán)重削弱模塊性能與可靠性。如在高頻應(yīng)用時(shí)，因寄生電感引起的電壓尖峰會(huì)擊穿芯片，降低模塊壽命。

6、2、散熱性能不足：現(xiàn)有模塊的散熱設(shè)計(jì)不夠完善，高功率運(yùn)行時(shí)，芯片產(chǎn)生的大量熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)，致使模塊溫度過高，影響性能與穩(wěn)定性，還可能引發(fā)熱失效問題。

7、3、抗機(jī)械應(yīng)力能力弱：在一些振動(dòng)或彎曲的工況下，傳統(tǒng)封裝的抗機(jī)械應(yīng)力性能較差，易使芯片和互連結(jié)構(gòu)受損，降低模塊的穩(wěn)定性和使用壽命。

8、隨著電力電子技術(shù)向高頻化、高功率化和高集成化發(fā)展，對(duì)sic功率模塊的性能提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)sic功率模塊存在的寄生電感高，散熱效果有待提高的問題，提供一種3d封裝的低寄生電感功率模塊，通過采用高導(dǎo)電率的銅材料，與疊層和基板內(nèi)銅層相連形成中間層，明顯降低機(jī)身電感，提高散熱效果，在高頻、高壓、大功率應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高電力電子系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種3d封裝的低寄生電感sic功率模塊，包括依次堆疊的上基板層、上芯片層、上連接層、中間層、去耦電容、下連接層、下芯片層和下基板層；

4、芯片層與基板層電氣連接；所述上芯片層堆疊布置在上基板層內(nèi)側(cè)上，所述下芯片層堆疊布置在下基板層內(nèi)側(cè)上；

5、所述中間層位于上芯片層和下芯片層之間，中間層兩側(cè)分別通過鉬銅塊為緩沖層與芯片層電氣連接；所述中間層還設(shè)有ac連接端子；所述鉬銅塊與芯片層連接時(shí)不完全覆蓋芯片層，未覆蓋部分用于設(shè)置芯片層的柵極；

6、所述上連接層和下連接層為開窗型銅塊，外接dc端子，所述上連接層位于中間層和上基板層之間，用于連接上基板層和去耦電容；所述下連接層位于中間層與下基板層之間，用于連接下基板層和去耦電容；

7、所述去耦電容為設(shè)于所述中間層的旁側(cè)的兩組電容，與上連接層和下連接層電氣連接。

8、本發(fā)明中3d封裝sic功率模塊的工作原理為：通過創(chuàng)新的堆疊結(jié)構(gòu)和互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了芯片與基板之間的緊密連接和高效電氣傳輸。在工作過程中，電流從dc+端進(jìn)入模塊，經(jīng)上連接層與上層dbc內(nèi)側(cè)覆銅到達(dá)基板層，通過基板層上的布線層和銀燒結(jié)層到上芯片層，經(jīng)由中間層從ac端輸出，或到下芯片層，經(jīng)下基板層、連接銅塊和下連接層與下層dbc內(nèi)側(cè)覆銅至dc-端流出。

9、由于芯片層的堆疊結(jié)構(gòu)，電流路徑大大縮短，寄生電感顯著降低；利用上連接層與下連接層間的互感效應(yīng)，進(jìn)一步降低模塊的寄生電感。模塊內(nèi)部集成去耦電容，降低芯片的過沖電壓，節(jié)省電路空間，提高芯片的電性能，促進(jìn)模塊整體小型化。

10、優(yōu)選地，芯片層與基板層電氣連接是通過銀燒結(jié)電氣連接，通過垂直互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的電氣連接，通常選用銀燒結(jié)，互連層的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步降低寄生電感，提高信號(hào)傳輸效率。多次回流焊時(shí)，每次焊接對(duì)焊料熔點(diǎn)的要求會(huì)逐漸增加，本發(fā)明中芯片層與基板層電氣連接優(yōu)選銀燒結(jié)方式，降低寄生電感。

11、優(yōu)選地，所述上基板層和下基板層分別包括外銅層、陶瓷層和內(nèi)銅層。

12、優(yōu)選地，芯片層與基板層的內(nèi)銅層連接。

13、優(yōu)選地，所述芯片層為sic?mosfet、si?mosfet、coolsic?mosfet中任一種，優(yōu)選地，所述芯片層為sic?mosfet，具有低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和高耐壓等優(yōu)點(diǎn)。

14、優(yōu)選地，所述陶瓷層為氮化鋁陶瓷基板、氧化鋁或氧化鈹中等絕緣性能良好的陶瓷材料。

15、優(yōu)選地，所述去耦電容與上連接層和下連接層通過回流焊接方式實(shí)現(xiàn)電氣連接。去耦電容能夠用于吸收芯片導(dǎo)通瞬間在寄生電感上產(chǎn)生的過沖電壓，起到穩(wěn)定芯片兩端電壓的作用，明顯提高芯片工作的穩(wěn)定性。

16、優(yōu)選地，所述中間層為銅塊組成。

17、優(yōu)選地，所述上連接層和下連接層位外接直流端子，直流電經(jīng)端子從上連接層流入，從下連接層流出，用于改變電流路徑，實(shí)現(xiàn)電流回路的互感相消，進(jìn)一步降低寄生電感。所述ac連接端子通過回流焊焊接在中間層上。

18、優(yōu)選地，所述上基板層和下基板層的外銅層上設(shè)有刻蝕的散熱微通道。能夠進(jìn)一步提高模塊的散熱性能和可靠性，使其在更高功率、更高頻率的惡劣工作條件下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)模塊的使用壽命。

19、優(yōu)選地，所述內(nèi)銅層采用開爾文布線法布線。

20、優(yōu)選地，所述鉬銅塊為鉬質(zhì)量占比50-80%，銅質(zhì)量占比20-50%的合金塊。優(yōu)選地，所述鉬銅墊塊采用鉬70%銅30%的組合合金，兼顧了鉬的應(yīng)力緩沖和銅的散熱性能。

21、基板的內(nèi)銅層布線采用開爾文布線法，避免柵極上產(chǎn)生的過沖電壓。同時(shí)，3d封裝的模塊可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱，芯片產(chǎn)生的熱量通過高導(dǎo)熱的基板和封裝外殼快速傳導(dǎo)到外部散熱器，保證了模塊的正常工作溫度。

22、與傳統(tǒng)?sic?功率模塊相比，本發(fā)明采用了?3d?堆疊封裝結(jié)構(gòu)，芯片層、基板層和互連層的緊密集成和互連層間的互感相消顯著降低了寄生電感；內(nèi)部集成的去耦電容能降低芯片的過沖電壓，增加了芯片的穩(wěn)定性；內(nèi)部銅層布線采用開爾文布線法將漏源間電流路徑的源極與柵源間電流路徑的源極隔開，極大的降低了芯片開關(guān)時(shí)柵極上產(chǎn)生的過沖電壓。同時(shí)，優(yōu)化的布線和互連技術(shù)進(jìn)一步提高了電氣性能和信號(hào)傳輸效率；雙面散熱的結(jié)構(gòu)也使得模塊的散熱能力大大提高。

23、本發(fā)明的sic功率模塊主要應(yīng)用于高頻、高壓、大功率的電力電子設(shè)備，如電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可再生能源系統(tǒng)等。在使用時(shí)，模塊安裝在散熱器上，通過外部電路與系統(tǒng)其他部分相連。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

25、（1）本發(fā)明的sic功率模塊能夠明顯降低?sic?功率模塊的寄生電感，提高開關(guān)速度和性能，減少電磁干擾和電壓尖峰，增強(qiáng)可靠性和穩(wěn)定性。

26、（2）本發(fā)明的sic功率模塊可提升模塊的散熱性能，確保在高功率、高頻條件下穩(wěn)定運(yùn)行，電磁兼容性更好，減少了電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了整個(gè)電力電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，且緩沖層還可以增強(qiáng)模塊的抗機(jī)械應(yīng)力能力，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。