一种SiCMOSFET固态继电器封装结构及制造方法与流程

本发明涉及功率半导体封装，尤其涉及一种sic mosfet固态继电器封装结构及制造方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车及储能系统向高电压、高功率密度和小型化方向发展，电池断开单元（battery disconnect unit，bdu）作为动力电池与外部高压负载之间的通断及保护装置，对开关器件的电气性能、散热能力和工作可靠性提出了较高要求。传统bdu主要采用机械式继电器或接触器控制主回路通断，基于sic mosfet的固态继电器具有开关速度快、无触点磨损、无电弧及使用寿命长等特点，逐渐应用于车辆和储能系统的高压主回路。

2、现有bdu用sic mosfet固态继电器通常作为独立功率模块进行封装，再与驱动及检测电路、主回路铜排和散热部件分别装配。受封装形式及部件布置方式限制，功率器件与主回路之间的连接路径较长且连接界面较多，容易产生较大的寄生电感和寄生电阻，在高速开关过程中引起电压过冲、开关损耗及电磁干扰；功率器件产生的热量需要经过多个封装界面向外传递，容易增大热阻，并在温度循环及振动环境下产生界面疲劳。与此同时，分散设置的功率模块、控制电路及连接部件占用较多安装空间，装配环节和连接节点较多，难以在有限空间内兼顾功率回路性能、散热能力和长期工作可靠性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

2、本发明一方面提供一种sic mosfet固态继电器封装结构，其特征在于，包括：

3、pcb基板，具有电路侧和散热侧，设有嵌装腔、主回路连接组件和栅极控制线路，上述主回路连接组件包括彼此绝缘的漏极功率端和源极功率端，上述漏极功率端和源极功率端分别与bdu主回路的两侧铜排电连接；

4、承载板，设置于上述pcb基板的散热侧并覆盖上述嵌装腔，上述承载板包括依次层叠的芯片侧导电层、绝缘导热层和散热侧导电层；

5、sic mosfet芯片，嵌设于上述嵌装腔，上述sic mosfet芯片的漏极与上述芯片侧导电层电连接和导热连接，源极和栅极朝向上述pcb基板的电路侧；

6、漏极互连件，自上述芯片侧导电层向上述pcb基板的电路侧延伸，并连接上述芯片侧导电层与漏极功率端；

7、源极互连件，连接上述源极与源极功率端；

8、栅极互连件，连接上述栅极与栅极控制线路；

9、驱动电路，设置于上述pcb基板的电路侧，并通过上述栅极控制线路与栅极电连接。

10、作进一步改进的，还包括过温检测单元、过流检测单元、电流采样单元和预充控制电路，上述过温检测单元和过流检测单元分别与驱动电路连接，上述电流采样单元与bms接口连接，上述预充控制电路与驱动电路连接；上述过流检测单元、电流采样单元和预充控制电路设置于pcb基板。

11、作进一步改进的，上述过温检测单元包括ntc热敏电阻，上述ntc热敏电阻设置于芯片侧导电层并邻近sic mosfet芯片；上述过流检测单元包括串联于主功率通路的分流电阻。

12、作进一步改进的，上述预充控制电路根据电池侧电压与负载侧电压的差值向驱动电路输出pwm信号，并在上述差值小于设定阈值时，通过上述驱动电路控制sic mosfet芯片完全导通。

13、作进一步改进的，上述承载板为amb基板，上述芯片侧导电层和散热侧导电层均为铜层，上述绝缘导热层为氮化硅陶瓷层或氮化铝陶瓷层，上述漏极通过银烧结层与上述芯片侧导电层连接。

14、作进一步改进的，散热件设置于上述承载板背离sic mosfet芯片的一侧，上述散热侧导电层通过导热界面层与散热件导热连接，上述散热件为bdu壳体或散热器。

15、作进一步改进的，上述嵌装腔的侧壁与sic mosfet芯片的侧面之间设有缓冲间隙，上述缓冲间隙内填充有低应力导热材料；绝缘涂层覆盖上述sic mosfet芯片的正面和侧面、漏极互连件、源极互连件和栅极互连件的裸露表面以及承载板的侧边缘。

16、本发明另一方面提供一种sic mosfet固态继电器封装结构的制造方法，包括如下步骤：

17、s1：制备pcb基板，在上述pcb基板上形成嵌装腔、主回路连接组件和栅极控制线路，上述主回路连接组件包括彼此绝缘的漏极功率端和源极功率端；

18、s2：制备包括芯片侧导电层、绝缘导热层和散热侧导电层的承载板，将sic mosfet芯片的漏极烧结于上述芯片侧导电层；

19、s3：将上述承载板固定于pcb基板的散热侧并覆盖上述嵌装腔，使上述sic mosfet芯片嵌入上述嵌装腔，源极和栅极朝向上述pcb基板的电路侧；

20、s4：通过自上述芯片侧导电层向pcb基板的电路侧延伸的漏极互连件连接上述芯片侧导电层与漏极功率端，通过源极互连件连接上述源极与源极功率端，并通过栅极互连件连接上述栅极与栅极控制线路；

21、s5：将驱动电路安装于上述pcb基板的电路侧，并通过上述栅极控制线路与栅极电连接。

22、作进一步改进的，在步骤s2中，将纳米银浆设置于上述芯片侧导电层与漏极之间，在200℃至250℃的温度和5mpa至20mpa的压力下烧结10min至30min，形成银烧结层，并对上述银烧结层进行超声波扫描检测。

23、作进一步改进的，在步骤s2中，形成上述银烧结层后，将铜带的一端键合于芯片侧导电层，并预留上述铜带的另一端；在步骤s4中，将上述铜带的另一端焊接或压接于漏极功率端，以形成上述漏极互连件。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、其一，本发明在pcb基板设置嵌装腔，将sic mosfet芯片随承载板嵌入嵌装腔内，使芯片背面漏极经芯片侧导电层和漏极互连件连接漏极功率端，正面源极经源极互连件连接源极功率端，栅极经栅极互连件和栅极控制线路连接驱动电路。由此，sic mosfet芯片、主回路连接组件和驱动电路能够集成于同一pcb基板，缩短芯片与bdu主回路之间的功率连接路径，减少外部铜排、连接器及转接界面，有利于降低功率回路的寄生电感和寄生电阻，抑制高速开关过程中的电压过冲和电磁干扰，同时减小固态继电器在bdu内部占用的空间，简化装配过程。

26、其二，本发明通过承载板在芯片背面形成向散热件传递热量的导热路径，采用amb基板、银烧结层和导热界面层时，有利于降低芯片至bdu壳体或散热器之间的传热热阻。嵌装腔内的低应力导热材料能够缓冲芯片与pcb基板之间因热膨胀差异产生的应力，绝缘涂层能够提高芯片及各互连件裸露表面的电气绝缘和环境防护能力。过温检测、过流检测、电流采样和预充控制功能与驱动电路配合，能够在温度异常或主回路过流时控制sic mosfet芯片关断，并在主回路接通前控制其脉冲导通，从而提高固态继电器的保护能力和bdu主回路的工作可靠性。

27、其三，本发明的制造方法先将sic mosfet芯片烧结于承载板，再将芯片随承载板嵌入pcb基板并完成漏极、源极和栅极的互连，便于分别控制芯片烧结质量和嵌装位置。采用铜带时，先将铜带的一端键合于芯片侧导电层，再在嵌装后连接铜带的另一端，有利于降低漏极互连的装配难度并提高连接稳定性。