[发明专利]一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构

说明书

本发明公开了一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，包括上桥臂、下桥臂、底部基板、外壳、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置，其中，外壳扣合并固定于底部基板上，功率基板固定于底部基板上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上，该结构能够大幅度降低芯片的结温以及结温波动。

技术领域

本发明属于功率器件封装技术领域，涉及一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构。

背景技术

功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块，比起由分立的电力电子功率器件组成的电力电子变流器，功率模块具有可靠性高，功率密度大，集成度高的特点，在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面有很高的优越性。功率模块中，半桥功率模块应用灵活，可以构建成MMC，三相逆变器等多种拓扑，应用最为广泛。

近年来，随着电力电子器件的不断发展，诸如石油钻探、电动汽车、舰载系统、航空航天等重要领域的应用环境的要求不断提高，功率模块正在向小型化、高功率密度、高可靠性、低损耗的方向发展。新一代宽禁带功率半导体(碳化硅、氮化镓等)器件相较于传统硅基器件，具有开关速度快，导通损耗低，功率密度大等优点，正在各个工业领域中逐渐取代传统的硅器件。但是现有的封装结构和热管理系统并不适用于碳化硅功率半导体芯片，主要体现在以下几个方面：

1、相同的电流等级下，碳化硅功率半导体芯片的单芯片面积小，导致芯片底部热流密度大，散热面积小，热阻大，芯片自身热容小。目前在产业界，多直接将基于硅基器件的封装集成解决方案直接应用于碳化硅芯片，会导致碳化硅芯片结温过高，温度波动明显。

2、针对碳化硅器件结温过高的问题，目前常见的解决方案为采用更先进的散热方式，包括但不限于：微流道散热，射流冲击冷却，压缩机相变散热，浸没式冷却等。这些散热方式虽然可以应对碳化硅芯片的高热流密度，但是这些更先进的方式增加了散热系统的复杂程度，降低了系统可靠性，同时也增加了散热系统的能耗和成本。

3、针对碳化硅器件结温过高的问题，另外一种解决途径为在封装结构上的改进，主要为采用3D封装进行双面散热，但是双面散热的模块制作工艺复杂，目前对于双面模块的可靠性的研究不充分。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，该结构能够大幅度降低芯片的结温以及结温波动。

为达到上述目的，本发明所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构包括上桥臂、下桥臂、底部基板、外壳、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置，其中，外壳扣合并固定于底部基板上，功率基板固定于底部基板上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上。

驱动PCB板系统包括第一驱动PCB板及第二驱动PCB板；相变散热装置包括第一相变散热装置及第二相变散热装置；功率基板包括直流正极功率基板及直流负极功率基板；下桥臂包括第一功率半导体芯片、第二功率半导体芯片及第三功率半导体芯片；上桥臂包括第四功率半导体芯片、第五功率半导体芯片及第六功率半导体芯片；

直流正极功率基板及直流负极功率基板焊接于底部基板上；

第一相变散热装置焊接于直流正极功率基板上，第二相变散热装置焊接于直流负极功率基板上；第一功率半导体芯片、第二功率半导体芯片及第三功率半导体芯片焊接于第二相变散热装置；第四功率半导体芯片、第五功率半导体芯片及第六功率半导体芯片焊接于第二相变散热装置上；

第一驱动PCB板固定于第一相变散热装置上，第二驱动PCB板固定于第二相变散热装置上。

还包括第一直流电线路、第一直流电支路、第二直流电支路、第三直流电支路及交流电支路；外壳上设置有第二直流功率端子、第一交流功率端子及第二交流功率端子；