一种MOSFET功率模块和制备方法

一种mosfet功率模块和制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种mosfet功率模块和制备方法。


背景技术：

2.作为一种高性能电力电子开关管，新型碳化硅功率器件在新能源电动汽车、轨道交通、智能电网和尖端武器装备等领域具有广阔的应用前景，sic功率器件的使用对于大幅提升多芯片sic功率模块的功率密度和转换效率甚至简化繁杂的外部冷却系统具有革命性意义。
3.当前，双面冷却多芯片sic功率模块主要采用烧结银层实现sic功率器件漏极金属层与陶瓷覆铜基板表面的连接，并利用烧结银层或高温软钎料层将单一的源极金属片与sic功率器件的源极金属层连接，从而实现双面冷却多芯片sic功率模块的无源极键合线封装，然而，银烧结层的形成通常需要借助15mpa以上的机械辅助烧结压力，这将易于导致双面冷却多芯片sic功率模块中sic功率器件的损伤，一旦一颗sic功率器件失效，整个模块将失效，从而导致良品率的降低；另外，sic功率器件的门极金属层同样采用键合线工艺，这将限制双面冷却多芯片sic功率模块功率密度的进一步提升。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种mosfet功率模块和制备方法，具有良品率高的优点，突破了现有键合线封装方式导致功率模块的功率密度受限的瓶颈。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
6.一种mosfet功率模块，包括隔离部件、第一烧结层、若干mosfet器件、第二烧结层、第一基板和第二基板，所述隔离部件的两端面均设置有第一烧结层，且所述隔离部件通过第一烧结层与mosfet器件相连，所述第一基板和第二基板的一端面均设置有金属浆料烧结层，所述金属浆料烧结层上设置有若干金属基层单元，所述mosfet器件与金属基层单元相适配，且所述mosfet器件通过第二烧结层与基层单元相连，所述第一基板与所述第二基板扣合配合，所述第一烧结层和第二烧结层均为导电材料。
7.可选的，所述隔离部件包括两组焊盘缓冲层和耐高温绝缘件，两组所述焊盘缓冲层设置在耐高温绝缘件的两端面。
8.可选的，所述隔离部件为金属材料，且所述隔离部件包括第一源极层、门极层和第二源极层。
9.可选的，所述第一基板和第二基板上均安装有功率端子和控制端子。
10.一种mosfet功率模块的制备方法，包括以下步骤：
11.将焊盘缓冲层封装在耐高温绝缘件的两端面上，并在所述焊盘缓冲层上预制第一烧结层，得到隔离部件；
12.在金属基层单元上预制第二烧结层，并将mosfet器件的一端面贴装在第二烧结层上后，对所述第二烧结层进行预烧结处理，得到预制单元；
13.将mosfet器件的另一端面贴装在第一烧结层上，并对所述第一烧结层进行烧结处理，得到集成单元；
14.通过超声焊接方法在第一基板和第二基板上焊接功率端子以及控制端子，并在所述第一基板和第二基板上印刷低温金属浆料；
15.将若干所述集成化单元贴装在第一基板和第二基板上，并分别进行预热处理得到第一烧结组件和第二烧结组件；
16.将所述第一烧结组件和第二烧结组件进行扣合后，对所述低温金属浆料进行烧结处理，得到mosfet功率模块。
17.可选的，将焊盘缓冲层封装在耐高温绝缘件上，包括以下步骤：
18.将第一源极层、门极层和第二源极层分别封装在所述耐高温绝缘件上，其中所述焊盘缓冲层由第一源极层、门极层和第二源极层构成。
19.可选的，所述第一烧结层和第二烧结层均通过使用低温金属浆料进行印刷、喷印、点胶或低温金属烧结膜贴片的方法制得。
20.可选的，所述预烧结处理为烧结温度控制在50～200℃，且无压环境下，烧结时间控制在5～15分钟下进行。
21.可选的，所述烧结处理为温度控制在200～250℃，烧结压力小于1mpa，且烧结时间控制在小于5分钟下进行。
22.可选的，所述预热处理为温度控制在50～200℃，预热时间控制在5～15分钟下进行。
23.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
24.一方面，通过将mosfet器件与具有导电性的第一烧结层与隔离部件相连，将具有导电性的第二烧结层与金属基层单元进行相连，得到单个集成单元，进而通过单个集成单元独立制备的方式，可有效降低传统方案因多个集成单元同时制备而导致整个mosfet功率器件失效的失效率；另一方面，通过第一烧结层、第二烧结层和金属浆料烧结层的设置，消除了传统mosfet功率器件的键合线，极大缩短了互联路径，从而降低了mosfet功率器件的寄生电感，进而提升了mosfet功率器件的功率密度。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本实施例一提出的一种mosfet功率模块的整体结构图；
27.图2为本实施例一提出的一种mosfet功率模块的拆分结构图；
28.图3为本实施例一提出的一种mosfet功率模块的集成单元结构图。
29.附图标记：1、耐高温绝缘件；2、第一源极层；3、门极层；4、第二源极层；5、第一烧结层；6、mosfet器件；7、第二烧结层；8、金属基层单元；9、集成单元；10、第一基板；11、第二基板；12、功率端子；13、控制端子；14、金属浆料烧结层。
具体实施方式
30.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
31.实施例一
32.现有的mosfet功率模块通常是由陶瓷覆铜基板、高温软钎料连接层、功率器件、铝或铜键合线、底板、电极、低温软钎连接层以及绝缘灌封或塑封部件等组成，其中高温软钎料连接层为一次焊接材料，低温软钎连接层为二次焊接材料，然而，上述软钎焊层的再熔问题和高温蠕变正制约着多芯片功率模块的耐高温可靠性；另外，若功率模块选用硅基igbt，则其较大的封装结构和键合线易于诱发高的寄生电感，这将限制多芯片功率模块的高频开关性能。
33.如图1至图3所示，一种mosfet功率模块，包括隔离部件、第一烧结层5、若干mosfet器件6、第二烧结层7、第一基板10和第二基板11，隔离部件通过第一烧结层5与mosfet器件6相连，第一基板10和第二基板11的一端面均设置有金属浆料烧结层14，金属浆料烧结层14上设置有若干金属基层单元8，mosfet器件6与金属基层单元8相适配，且mosfet器件6通过第二烧结层7与基层单元相连，第一基板10与第二基板11扣合配合，第一烧结层5和第二烧结层7均为导电材料，第一基板10和第二基板11上均安装有功率端子12和控制端子13，用于与外部进行连接。
34.其中，mosfet器件6可以为sic功率器件、硅基igbt功率器件、gto功率器件和硅基mosfet器件6中的任意一种，金属浆料烧结层14具有导电性，从而通过将mosfet器件6与具有导电性的第一烧结层5与隔离部件相连，将具有导电性的第二烧结层7与金属基层单元8进行相连，得到单个集成单元9，进而通过单个集成单元9独立制备的方式，可有效降低传统方案因多个集成单元9同时制备而导致整个mosfet功率器件失效的失效率。
35.以同样的方式制造多个集成单元9，并将多个集成单元9安装在设置有金属浆料烧结层14的第一基板10以及第二基板11上，其中，金属浆料烧结层14的烧结原材料可以为银、铜、铜-银复合材料或软钎料中的任意一种，因此，集成单元9安装在第一基板10上和第二基板11上时，可通过金属浆料烧结层14实现相互之间的信号通信，并最终通过第一烧结层5、第二烧结层7和金属浆料烧结层14的设置，消除了传统mosfet功率器件的键合线，极大缩短了互联路径，从而降低了mosfet功率器件的寄生电感，进而提升了mosfet功率器件的功率密度，其中第一基板10和第二基板11均可以为陶瓷覆铜基板、金属绝缘基板、金刚石、石墨烯高导热复合基板中的任意一种。
36.如图3所示，隔离部件包括两组焊盘缓冲层和耐高温绝缘件1，两组焊盘缓冲层设置在耐高温绝缘件1的两端面，隔离部件为金属材料，且隔离部件包括第一源极层2、门极层3和第二源极层4，其中，第一源极层2、门极层3和第二源极层4的材料可以为铜、钼、钼铜或可伐合金中的任意一种，而高温绝缘部件可以为聚四氟乙烯材料，从而通过设置的第一源极层2、门极层3、第二源极层4以及高温绝缘部件起到源极与门极的隔离作用。
37.实施例二
38.一种mosfet功率模块的制备方法，包括以下步骤：将焊盘缓冲层封装在耐高温绝缘件1的两端面上，并在焊盘缓冲层上预制第一烧结层5，得到隔离部件，其中焊盘缓冲层由第一源极层2、门极层3和第二源极层4构成，将第一源极层2、门极层3和第二源极层4分别封
装在耐高温绝缘件1上，而封装的方法可以为tsv封装或电镀封装，且在第一源极层2、门极层3和第二源极层4的表面均采用电镀方法镀有2μm的镀层，该镀层可以为镀金、镀银或镀镍中的任意一种。
39.在金属基层单元8上预制第二烧结层7，并将mosfet器件6的一端面贴装在第二烧结层7上后，对第二烧结层7进行预烧结处理，得到预制单元；将mosfet器件6的另一端面贴装在第一烧结层5上，并对第一烧结层5进行烧结处理，得到集成单元9；通过超声焊接方法在第一基板10和第二基板11上焊接功率端子12以及控制端子13，并在第一基板10和第二基板11上印刷低温金属浆料；将若干集成化单元贴装在第一基板10和第二基板11上，并分别进行预热处理得到第一烧结组件和第二烧结组件；将第一烧结组件和第二烧结组件进行扣合后，对低温金属浆料进行烧结处理，得到mosfet功率模块，其中，在对第一烧结组件和第二烧结组件进行扣合时，隔离部件远离mosfet器件6的一端面的第一烧结层5与低温金属浆料接触，且在对低温金属浆料烧结处理时，第一烧结层5与低温金属浆料实现连接。
40.具体的，第一烧结层5和第二烧结层7均通过使用低温金属浆料进行印刷、喷印、点胶或低温金属烧结膜贴片的方法制得，预烧结处理为烧结温度控制在50～200℃，且无压环境下，烧结时间控制在5～15分钟下进行，烧结处理为温度控制在200～250℃，烧结压力小于1mpa，且烧结时间控制在小于5分钟下进行，预热处理为温度控制在50～200℃，预热时间控制在5～15分钟下进行。
41.在本实施例中，以采用钢网印刷方式预制第一烧结层5和第二烧结层7为例，在第一源极层2、门极层3和第二源极层4的表面预制100μm的第一烧结层5，且第一烧结层5为低温烧结银层，然后采用低温烧结银膜贴片的方式，在金属基层单元8上预制第二烧结层7，同样的，第二烧结层7也为低温烧结银层，然后mosfet器件6选用sic功率器件，将sic功率器件贴装在第二烧结层7上，并在100℃条件下无压预烧结五分钟。
42.完成预烧结后，将第一源极层2、门极层3和第二源极层4通过第一烧结层5精准贴装在sic功率器件的主源极焊盘、副源极焊盘和门极焊盘上，并在250℃，烧结压力为0.5mpa、烧结时间3分钟的条件下获得集成单元9。
43.得到集成单元9后，利用超声焊接方法在第一基板10和第二基板11的相应位置焊接功率端子12和控制端子13，再在第一基板10和第二基板11上印刷一层10μm的低温金属浆料，并将多个集成单元9贴装在印刷了低温金属浆料的第一基板10和第二基板11上，然后在200℃下进行预热15分钟，完成预热后将第一基板10和第二基板11扣合，然后在250℃、烧结要离5mpa、烧结时间5分钟的条件下完成烧结，并采用塑粉或硅胶灌封方法最终得到mosfet功率模块。
44.通过上述制备方法，将mosfet功率模块的各个部件的连接界面采用全烧结的方式，提高了耐高温的可靠性，同时集成单元9采用低温低压金属烧结的低于5mpa的辅助压力或无压的方式，从而提高了mosfet功率模块的制造良品率；集成单元9与第一基板10、第二基板11是一次烧结，从而减少烧结工艺工序，提高生产效率。
45.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本
权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。