[实用新型]一种叠层结构级联型GaN基功率器件

说明书

本实用新型提供了一种叠层级联型GaN基功率器件。该器件结构为TO‑220框架上面粘接设有通孔和凹槽的DBC双面陶瓷基板，DBC陶瓷基板凹槽中粘接GaN基芯片，垂直结构的硅基MOSFET叠放于GaN基芯片源极上形成Cascode级联结构。本实用新型通过对GaN基芯片和硅基MOSFET芯片合理布局实现Cascode级联结构，减小了芯片占用框架的面积，减小封装体体积且提高了封装形式的选择性；通过设有通孔和凹槽结构的高导热DBC双面陶瓷基板增大了芯片与高导热材料的接触面积，提高了芯片散热性能、优化了工艺步骤，使器件的可靠性和实用性提高。

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，尤其涉及一种GaN基功率器件。

背景技术

自二十世纪以来，移动通信、电子汽车、大规模自动化工业生产等领域蓬勃发展，对相应的电子系统提出了更高的要求。功率电子器件作为电子系统中必不可少的核心元件，是提高系统性能的主要方向之一。为了满足电子系统应用的要求，功率器件正朝着高电压、大电流、高频率、高度集成和智能化的方向发展。GaN功率器件由于其大禁带宽度以及高饱和电子迁移率、高热导率等优良特性成为功率电子器件领域的应用热点，其中最为成熟的是以GaN材料为基础制成的HEMT(高电子迁移率晶体管)。

GaN HEMT主要有增强型和耗尽型两种工作模式，其中单体增强型工作模式的高压GaN HEMT目前的制备工艺不成熟，所制备的器件仍然存在许多问题，比如栅极电压摆幅小，阈值电压不稳定等问题，影响器件的可靠性及其大规模使用。而单体耗尽型工作模式是GaNHEMT在制备过程中自然形成的模式，具有较好的稳定性和成熟的制备工艺，而且单体耗尽型GaN HEMT很容易实现击穿电压为600V以上的高压，拥有驱动电源范围较广等特点。因而目前在高压大功率应用中单体耗尽型GaN HEMT更具优势。然而耗尽型工作模式在栅极不加偏压的时候就已经导通，使系统持续消耗能量，相对于增强型工作模式大大增加系统静态功耗，因此通过高压耗尽型GaN HEMT与低压增强型硅基MOS管级联形成增强型工作模式非常有必要。

图1为GaN HEMT和硅基MOS管通过级联方式形成具有正向开启电压增强型工作模式的混合管的原理图。左侧为低压硅基MOS管，控制整个混合管导通与关断；右侧为高压耗尽GaN基HEMT芯片，在混合管关断时起到承受高压的作用。

图2是图1在现有技术中常用的实现方式之一。如现有的一篇实用新型专利：一种GaN基级联型功率器件及其封装方法(申请号：201810953473.1)，该技术使用TO-220FL铜框架作为封装框架，高压耗尽型GaN HEMT与硅基 MOSFET通过绝缘胶分别粘接在框架基岛的右边和左边，GaN HEMT栅极(G2) 和硅基MOSFET源极(S1)分别通过铜线和铝线直接电连接到框架基岛。由于框架基岛为混合管的源极(S)而垂直结构的低压MOS管漏极(D1)在芯片的底部，因此根据图1电路连接方式，硅基MOS管漏极(D1)不能直接粘接到框架基岛上，该技术采用银浆工艺将MOS管粘接在金属基板上再用绝缘胶将金属板粘接到框架基岛，来实现将MOS管漏极引出同时不与混合管源极 (S)电连接。

上述技术存在的缺点：

1、高压耗尽型GaN HEMT与硅基MOSFET分别放置在框架基岛的右边和左边，这种排列布局需要占用两颗芯片的面积，且GaN芯片为大功率器件，芯片面积通常比较大，常常会导致设计封装布局布线受到限制、框架选择受到限制以及封装体积较大，不符合应用需求等问题。

2、垂直结构MOS管通过银浆粘接到小铜基板，小铜基板通过绝缘胶粘接到框架基岛，这种方式工艺步骤多，而且可靠性较低，在绝缘胶不足或者分布不均的情况下，容易导致金属基板与框架基岛发生短路。

3、MOS管的栅极离框架栅极引脚距离较大，而且铜线线径小，在打线过程中容易出现问题，而且在后续塑封工艺注塑过程中容易发生冲丝甚至直接断丝导致器件失效。

4、使用的小铜基板容易在银浆和绝缘胶固化过程中发生氧化从而使后续的导电性能以及键合稳定性都有所下降。