一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法

摘要

本发明公开了一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC1和AC2，直流侧中点包括O1和O2；下层DBC基板上设置键合线，实现驱动部分的开尔文连接；通过双面结构碳化硅功率模块中的两个换流路径彼此解耦实现换流回路路径的最小化。本发明具有回路寄生电感小，散热效率高，体积小，开关速度快等优点。

权利要求

1.一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC1和AC2，直流侧中点包括O1和O2；下层DBC基板上设置键合线，实现驱动部分的开尔文连接；通过双面结构碳化硅功率模块中的两个换流路径彼此解耦实现换流回路路径的最小化，Vienna整流拓扑电路包括碳化硅MOSFET管Q1，碳化硅MOSFET管Q1的栅极连接驱动栅极G，漏极分三路，分别与二极管D1的正极，二极管D2的负极和二极管D3的负极连接，二极管D1的负极连接DC+，二极管D2的正极连接交流输入端口AC1，二极管D3的正极连接直流侧中点O1；碳化硅MOSFET管Q1的源极分四路，一路连接驱动源极K，剩余三路分别连接二极管D4的正极，二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D4的负极交流输入端口AC2，二极管D5的负极连接直流侧中点O2，二极管D6的正极连接DC‑。

2.根据权利要求1所述的Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，上层DBC基板中换流路径经过二极管D1和二极管D6，二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上。

3.根据权利要求1所述的Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，下层DBC基板中换流路径经过二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC基板上。

4.一种制备权利要求1所述Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上，将二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC基板上；

S2、在下层DBC基板上打键合线，实现碳化硅MOSFET管Q1的开尔文连接；

S3、通过纳米银烧结的方式实现铜‑钼‑铜金属柱与二极管阳极以及碳化硅MOSFET源极的连接以及功率端子与上层DBC基板、下层DBC基板的连接；

S4、将上下层DBC基板按照指定的方式装配起来，并将铜‑钼‑铜柱的另一端通过纳米银烧结或者焊接的方式与上层DBC基板或下层DBC基板实现稳定的连接。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，二极管D1和二极管D6的负极与上层DBC基板通过纳米银烧结连接在一起，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的负极以及化硅MOSFET管Q1的漏极与下层DBC基板通过纳米银烧结的方式连接在一起，纳米银焊料的厚度为0.05～0.1mm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，采用直径小于5mil的铝键合线实现碳化硅MOSFET管Q1的开尔文连接。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3中，铜‑钼‑铜金属柱的高度为3mm，同时金属柱与芯片的接触面小于芯片的金属电极大小。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S4中，纳米银焊料的厚度为0.1～

0.15mm。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，碳化硅MOSFET和二极管电极均进行重新金属化处理，电极上采用金属蒸镀方式增加有厚度100nm/200nm的铬/银金属层。

说明书

一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于功率模块技术领域，具体涉及一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着经济的发展，环境问题和能源危机日益凸显，亟需清洁能源的开发和使用。因此以电动汽车为代表的新能源汽车具有广阔的应用发展前景。电动汽车的充电桩以及者车
载充电器是电动汽车在未来实现大规模推广应用的关键基础设备。充电桩以及车载充电器
设计中通常采用AC/DC加DC/DC两级拓扑，其中在AC/DC前级中Vienna整流拓扑是目前应用
较多的一种拓扑结构。Vienna整流拓扑是一种三电平整流拓扑，但是与一般半桥三电平拓
扑相比较，Vienna整流拓扑需要的开关器件数量更少，每个桥臂上只需要一个开关管结合
几个二极管便可以实现因此可以极大的减小充电桩以及车载充电器的成本。这也促使
Vienna整流拓扑成为一种在充电桩以及车载充电器的前级整流部分被广泛应用的拓扑。

[0003] 碳化硅的材料特性使得碳化硅器件具有耐压高、通态内阻小、耐温高、开关速度快等优点。碳化硅功率半导体器件的诸多优点使其在充电桩以及车载充电器有良好的应用前
景。首先，较低的通态内阻可以使得效率明显的提高，同时较高的开关频率可以极大地减小
无源元件的体积和重量，此外碳化硅器件本身耐高温的特性降低了对于散热条件的要求，
可以进一步减小散热系统的体积和重量，进而减小整个充电装置的体积和重量，提高整体
的功率密度。但是碳化硅器件相较于传统的硅器件对于回路的寄生电感更加敏感，同样的
寄生参数下，使用碳化硅器件带来的电压过冲和震荡更为严重，由此对器件的安全运行带
来一定的威胁同时严重的震荡可能会导致电磁干扰的问题，影响整个系统的安全稳定运
行。

[0004] 综上，为了在Vienna整流器中使用碳化硅器件来提高充电桩以及车载充电器的效率和功率密度，提出了一种用于Vienna整流的双面散热高功率密度碳化硅功率模块。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种 Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法，采用母排式双面散热结构。一方面极大地
减小了换流回路的大小，进而减小了整个换流回路的寄生电感，有效的抑制了关断时的过
电压以及开关过程中的电压电流震荡；另一方面该模块采用双面散热的结构，极大的提高
了整体的散热效率，降低了对于散热系统的设计要求。

[0006] 本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有 Vienna整流拓扑电
路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC1和AC2，直流侧中点包括O1和O2；下层DBC基板
上设置键合线，实现驱动部分的开尔文连接；通过双面结构碳化硅功率模块中的两个换流
路径彼此解耦实现换流回路路径的最小化。

[0008] 具体的，Vienna整流拓扑电路包括碳化硅MOSFET管Q1，碳化硅MOSFET 管Q1的栅极连接驱动栅极G，漏极分三路，分别与二极管D1的正极，二极管 D2的负极和二极管D3的负极
连接，二极管D1的负极连接DC+，二极管D2的正极连接交流输入端口AC1，二极管D3的正极连
接直流侧中点O1；碳化硅 MOSFET管Q1的源极分四路，一路连接驱动源极K，剩余三路分别连
接二极管 D4的正极，二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D4的负极交流输入端口
AC2，二极管D5的负极连接直流侧中点O2，二极管D6的正极连接DC‑。

[0009] 进一步的，上层DBC基板中换流路径经过二极管D1和二极管D6，二极管 D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上。

[0010] 进一步的，下层DBC基板中换流路径经过二极管D2、二极管D3、二极管 D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管
Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC 基板上。

[0011] 本发明的另一个技术方案是，一种制备Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的方法，包括以下步骤：

[0012] S1、将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上，将二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管 Q1通过纳米银烧结的方式焊接
在下层DBC基板上；

[0013] S2、在下层DBC基板上打键合线，实现碳化硅MOSFET管Q1的开尔文连接；

[0014] S3、通过纳米银烧结的方式实现铜‑钼‑铜金属柱与二极管阳极以及碳化硅 MOSFET源极的连接以及功率端子与上层DBC基板、下层DBC基板的连接；

[0015] S4、将上下层DBC基板按照指定的方式装配起来，并将铜‑钼‑铜柱的另一端通过纳米银烧结或者焊接的方式与上层DBC基板或下层DBC基板实现稳定的连接。

[0016] 具体的，步骤S1中，二极管D1和二极管D6的负极与上层DBC基板通过纳米银烧结连接在一起，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的负极以及化硅MOSFET管Q1的漏极与
下层DBC基板通过纳米银烧结的方式连接在一起，纳米银焊料的厚度为0.05～0.1mm。

[0017] 具体的，步骤S2中，采用直径小于5mil的铝键合线实现碳化硅MOSFET 管Q1的开尔文连接。

[0018] 具体的于，步骤S3中，铜‑钼‑铜金属柱的高度为3mm，同时金属柱与芯片的接触面小于芯片的金属电极大小。

[0019] 具体的，步骤S4中，纳米银焊料的厚度为0.1～0.15mm。

[0020] 具体的，碳化硅MOSFET和二极管电极均进行重新金属化处理，电极上采用金属蒸镀方式增加有厚度100nm/200nm的铬/银金属层。

[0021] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0022] 本发明一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，通过对拓扑中部分端口的分裂设计极大的提高了布局设计的自由度，为针对换流回路优化的布局设计提供了基础，在
结构设计上采用母排式的结构，充分减小了换流回路整体的面积，进而极大的降低了回路
的寄生电感，可以有效的抑制开关过程中的电压过冲和震荡问题，这有利于碳化硅器件的
快速开关。此外，这样的结构设计也便于母线解耦电容的集成，从而可以进一步提高模块的
整体性能，双面结构可以采用双面散热的方式，极大的提高了散热的效率，进而降低了对于
散热系统的设计要求，减小了散热系统的体积和重量，从而有助于整个系统体积和重量的
减小，提高功率密度，模块的驱动部分采用开尔文连接，实现了驱动回路和功率回路的解
耦，进而提高了模块的开关速度，有利于减小开关损耗，为模块的高频运行提供了保障。

[0023] 进一步的，芯片、金属柱以及DBC基板铜基板之间的连接都是通过纳米银烧结的方式来实现，这样做可以提高模块整体的散热性能和可靠性，同时也提高了模块的耐高温特
性。

[0024] 一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的制备方法，采用铜‑钼‑铜复合金属柱实现MOSFET源极以及二极管阳极与DBC基板上铜层的连接，改变其高度可以调整两个上
下两个DBC基板之间的距离，进而保证模块的耐压特性。

[0025] 进一步的，将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC 基板上，将二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET 管Q1通过纳米银烧结的
方式焊接在下层DBC基板上。这样做有利于下一步铜‑ 钼‑铜复合金属柱与二极管以及碳化
硅MOSFETE的连接工艺。

[0026] 进一步的，采用直径小于5mil的铝键合线实现碳化硅MOSFET的开尔文连接，这样可以在碳化硅MOSFET栅极电极面积较小的情况下保证键合连接的顺利进行，同时采用开尔
文连接的方式可以提高碳化硅MOSFET的开关速度，进而减小开关损耗。

[0027] 进一步的，通过纳米银烧结的方式将铜‑钼‑铜复合金属柱与二极管的正极以及碳化硅MOSFET的源极连接，采用金属柱的目的是为了调整上下两层DBC之间的距离，保证模块
具有合适的耐压特性。

[0028] 进一步的，将上下层DBC基板按照指定的方式装配起来，并将铜‑钼‑铜柱的另一端通过纳米银烧结或者焊接的方式与上层DBC基板或下层DBC基板实现稳定的连接，采用纳米
银烧结的方式可以提高模块整体的可靠性。

[0029] 综上所述，本发明具有回路寄生电感小，散热效率高，体积小，开关速度快等优点。

[0030] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0031] 图1为本发明的适用于Vienna整流的双面散热高功率密度碳化硅功率模块拓扑结构图；

[0032] 图2为本发明中上层DBC基板的布局示意图；

[0033] 图3为本发明中下层DBC基板的布局示意图；

[0034] 图4为本发明中局部叠层DBC基板顶层布局以及驱动电阻位置的示意图；

[0035] 图5为本发明的加工过程图；

[0036] 图6为本发明进行双脉冲测试得到的开关波形图，其中，(a)为碳化硅 MOSFET开通，(b)为碳化硅MOSFET关断。

具体实施方式

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0038] 本发明提供了一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，首先，基于对 Vienna整流器基本原理的分析，得到换流回路的基本分布情况，根据换流回路的基本分布对
Vienna整流器的基本拓扑结构进行适当的修改，以实现对换流回路路径的优化设计。具体
来说就是将拓扑中的交流输入端和直流侧中点各自分裂成两个部分，进而提高了布局设计
的自由度。基于优化的拓扑结构完成DBC基板布局的相应设计，设计的基本原则是保证所有
换流回路的面积尽可能小，并且保持对称。采用铜‑钼‑铜复合金属柱实现芯片源极与DBC基
板基板铜层的连接，以此来控制两层DBC基板之间的距离，从而保证模块整体的耐压性能。
模块中开关器件的驱动部分采用开尔文连接的方式，提高器件的开关速度，减小开关损耗。
模块中采用纳米银烧结的方式实现不同部件之间的连接，保证模块整体的可靠性。

[0039] 请参阅图1，本发明一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，采用修改的Vienna整流拓扑，包括6个额定电压为650V的碳化硅二极管D1、D2、D3、 D4、D5和D6，以及一
个额定电压为650V的碳化硅MOSFET管Q1；为了提高布局设计的自由度，修改的Vienna整流
拓扑相较于传统的Vienna整流拓扑来说，输入的交流端口分裂成AC1和AC2，直流侧中点分裂
成O1和O2；使得双面结构碳化硅功率模块中的两个换流路径(DC+—D1—Q1—D5—O2以及
O1—D3—Q1 —D6—DC‑)彼此解耦，通过分别对两个换流回路的路径进行设计，实现换流回
路路径的最小化；按照这一指导原则，完成模块设计。

[0040] 碳化硅MOSFET管Q1的栅极连接驱动栅极G，漏极分三路，分别与二极管 D1的正极，二极管D2的负极和二极管D3的负极连接，二极管D1的负极连接 DC+，二极管D2的正极连接
交流输入端口AC1，二极管D3的正极连接直流侧中点O1；碳化硅MOSFET管Q1的源极分四路，一
路连接驱动源极K，剩余三路分别连接二极管D4的正极，二极管D5的正极和二极管D6的负
极，二极管 D4的负极交流输入端口AC2，二极管D5的负极连接直流侧中点O2，二极管D6 的正
极连接DC‑。

[0041] 请参阅图2，图3和图4，双面结构碳化硅功率模块整体采用母排式的双面结构，驱动部分采用键合线实现开尔文连接；包含上下两块DBC基板，每个DBC 基板中包含两层铜
层，其中一层用来实现设计的布局，另一层保持完整的铜层不做修改。上下两块DBC基板中
包含布局设计的铜层示意图如图2和图3所示。模块的整体外观图以及外接段子的分布如图
4所示。

[0042] 请参阅图5，本发明一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的加工过程如下：

[0043] S1、将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式分别焊接在上层DBC 基板的的铜层，具体位置见图2阴影部分，将二极管D2、二极管D3、二极管 D4、二极管D5以及碳化硅
MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式分别焊接在下层DBC基板上，具体位置见图3阴影部分。

[0044] 上下层DBC基板均为氧化铝陶瓷基板，氧化铝绝缘层的厚度小于0.635mm，两边铜层的厚度大于0.3mm。上下层DBC基板的总体长度和宽度相同，分别为 37mm和25mm。

[0045] 上下DBC基板上分别加工了6个定位孔H1‑H6以及h1‑h6，在上下层DBC基板整体组装时起到定位功能，如图2和图3所示。

[0046] 焊接过程中纳米银焊料的厚度为0.05～0.1mm；

[0047] S2、将碳化硅MOSFET的栅极和源极通过直径小于5mil铝键合线分别与下层DBC基板上的铜层C1和C2相连，如图3所示，实现碳化硅MOSFET管Q1 的开尔文连接；

[0048] S3、通过纳米银烧结的方式实现铜‑钼‑铜金属柱与二极管阳极的连接以及功率端子与上、下层DBC基板的连接，所有功率端子为厚度0.8mm的铜片，长度为15mm，宽度为4mm；

[0049] 铜‑钼‑铜金属柱的高度为3mm，同时金属柱与芯片的接触面小于芯片的金属电极大小。

[0050] S4、将上层DBC中的定位孔H1‑H6分别与下层DBC基板上的定位孔h1‑h6对齐，实现上下层DBC的整体装配，之后将铜‑钼‑铜金属柱的另一端通过纳米银烧结或者焊接的方式与
上层DBC基板或下层DBC基板实现稳定的连接，纳米银焊料的厚度为0.1～0.15mm，保证金属
柱与DBC基板铜层的可靠连接。

[0051] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明
的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定
实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0052] 请参阅图6，将本发明模块应用于Vienna整流器中，进行双脉冲测试得到的开关波形，参数值如下：

[0053]

[0054]

[0055] 可以在母线电压为350V下，安全的开断50A电流，满足Vienna整流器的要求。关断过程中碳化硅MOSFET两端的电压过冲很小，只有35V，表明该模块的换流回路中寄生电感
小。同时模块样机的整体尺寸与TO247封装的单个器件的整体尺寸接近，而该模块中总共包
含了7个有源器件，这极大的提高了功率密度。此外，将该模块应用在参数如上表的Vienna
整流器中时，采用双面水冷散热的方式可以保证模块中所有芯片的最高结温在120℃以下，
证明了该模块具有良好的散热特性。

[0056] 综上所述，本发明提供了一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，通过将交流输入端和直流侧中点的分裂，增加了模块布局设计的自由度，为换流回路的优化设计提
供了更大的空间；同时母排式的结构极大的减小了回路的寄生电感，有效的抑制了开关过
程中的电压过冲和震荡问题，此外该模块可以实现双面散热，极大的提高了散热效率；开尔
文连接的使用有效的提高了器件的开关速度，减小了开关损耗，有利于模块应用在高开关
频率的条件下；模块中采用纳米银烧结的方式来代替传统的焊接，极大的提高了模块整体
的散热性能和可靠性，同时也使模块具有耐高温的特性。

[0057] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。