CN102104010B - 一种能提升绝缘电压VISO又能降低结壳热阻Rthjc的模块结构件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thic的电力半导体模块结构件的制造方法，该电力半导体模块在现有的压接式模块结构件的基础上，加上一层绝缘膜和一金属片，再把原来较厚的陶瓷片减薄后构成。该方法包括：在压接式模块结构件的底板正面喷涂、粘贴或平铺一层绝缘膜；在绝缘膜之上再附加一层金属片；在金属片之上再附加一层减薄的陶瓷片。本发明的模块结构件能够在提升绝缘电压V_ISO的同时，降低结壳热阻R_thjc。

Description

一种能提升绝缘电压VISO又能降低结壳热阻Rthjc的模块结构件

技术领域

本发明涉及电力半导体器件或模块的制造工艺，具体而言涉及一种电力半导体模块制造中能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thjc的模块结构件及其制造方法。

背景技术

电力半导体模块就是把一个或一个以上的电力半导体芯片按一定的电路连接，并封装在一个绝缘的树脂外壳内而成。

模块有绝缘型和非绝缘型二种。模块有焊接式和压接式两类，又各有绝缘型和非绝缘型两种。图1和图2分别是焊接式和压接式模块内部结构示意图。而本发明就是针对压接式的绝缘型模块的。

图1示出了焊接式模块的内部示意图。如图1所示，在绝缘型模块中，连接芯片的所有电极都从模块的上端引出，所有电极和模块底板之间要用陶瓷片作电绝缘，也就是说，模块工作时，底板是不带电的，绝缘电压要求高达2.5KV(A·C)以上，这样，绝缘型模块可使装置(整机)的机械设计灵活而简化。装置的设计者可以把一个或一个以上的模块直接安装在接地的外壳或框架的任何位置上，或安装在接地的同一个散热器上，联接成各种电路，从而大大地简化了电路的结构设计。

另外，由于芯片间的连接已在模块内部完成，加上模块外形尺寸和安装尺寸的标准化，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑，可靠性高，外接线简单，互换性好，安装和维修方便等优点，因此它是电力半导体分立器件的更新换代产品，被广泛地应用于机电行业的各个方面，如电机调速，加热控温、无功补偿，逆变器和变频器等诸多领域。

设计电力半导体模块时，对电特性、热特性和安全性要综合考虑。图2示出了压接式模块的内部结构图。如图2所示，压接式模块是将芯片通过模块结构件压装在模块底板上的，各电极都从模块上端引出，所有电极与底板之间加一层陶瓷片(如BeO，ALN，AL₂O₃等)来实现电绝缘，模块工作时产生的热量又通过陶瓷片从底板散出去(底板固定在散热器上)，所以陶瓷片起着绝缘和导热的双重作用，这二者又是矛盾的，提高绝缘电压，陶瓷片要加厚，而降低热阻则要减薄陶瓷片，这是一对很大的矛盾。

绝缘电压关系到人们的生命财产安全问题，国家标准把它列为第一标准，必须达到2500V(A·C)以上。为达到这一指标，模块生产厂家都把陶瓷片加厚到1.5mm以上，但由于瓷片边缘的微小脏污和缺陷，以及存在狭小的放电空间，虽然人们采取了灌封硅凝胶及硅橡胶并抽真空排泡等措施，但绝缘电压的合格率最高也只能是95％，不合格品，要返修，很麻烦，有时会损坏芯片或零件，成本增加，降低生产效率，且抽真排泡时，会把流动性很好的硅凝胶渗透到芯片和零件，零件与零件之间的接触面，形成一很薄的膜，它影响电热的传导，增加接触电阻和热阻。

电力半导体模块与电力半导体分立器件的最大不同点，就是结构上多了一层绝缘陶瓷片，解决了绝缘问题，但增加了结壳热阻R_thjc，通常用下式：

$I_{T\left(\mathrm{AV}\right)}=\frac{-V_{\mathrm{TO}}+\sqrt{{V_{\mathrm{TO}}}^2+4K^2\·r_{T}P}}{2K^2\·r_T}$ 其中 $P=\frac{T_{\mathrm{jm}}-T_c}{R_{\mathrm{thjc}}}$ 或 $P=\frac{T_{\mathrm{jm}}-T_a}{R_{\mathrm{thja}}}---\left(1\right)$

在这里

I_T(AV)：通态平均电流(A)，V_TO：门槛电压(V)。r_T：斜率电阻。

P：耗散功率(W)。T_jm：芯片最高工作结温(℃)，T_C：额定壳温(℃)。

T_a：额定环境温度(℃)，K为波形系数(K²＝1，DC；K²＝2.5，180°；K²＝3.0，120°；K²＝6.0，60°)

来表述电力半导体模块和分立器件的通态能力，模块的结壳热阻R_thjc由芯片热阻，陶瓷片热阻和结构件热阻构成，模块比分立器件多了一陶瓷片热阻。表1为构成模块所用到的材料的导热率：

材料

硅

钼

银

铜

铝

氧化铍

氮化铝

氧化铝

导热率(w/m..k)

62

144

396

386

143

18～210*370

140～180*310

24～280

表1：模块中所用到的材料的导热率*理论值，铜为无氧铜

由于各层材料的热阻与它的厚度是成正比的，所以构成压接式模块的结壳热阻R_thjc主要由作为芯片衬底的钼片和陶瓷片产生，它们的厚度也大似相同(1.5mm)，二者的热阻之和约占模块结壳热阻的80％左右(以常用的氮化铝片为例)，所以1.5mm厚的陶瓷片的热阻占了总热阻的30～40％。所以用相同容量和性能的芯片装配成分立器件和模块的条件下，根据式1，我们可以估算出，模块的通态电流值I_T(AV)要比分立器件低20～30％，也就是说，用装400A分立器件的芯片装成模块，那模块的I_T(AV)最多为300A。如改用导热稍好的氧化铍片，那也只能通330A左右，但氧化铍本身毒性大，有些国家已禁止使用。如采用导热太差的氧化铝，那200A也是难通过的。

综上所述，要生产出高品质的模块，除了优质的芯片(如上式中低的门槛电压V_TO，小的斜率电阻和高的最高工作结温T_jm)以外，主要的是解决好绝缘电压和降低结壳热阻问题。本发明就是既要保证绝缘电压≥2500V(A·C)甚至提得更高，同时又能将陶瓷片减薄，降低结壳热阻，以制造出高效率，高成品率和高性能的高品质的电力半导体模块。

如上所述，现在在模块的制造方面，芯片的电参数已不是主要问题，而绝缘电压和较大的热阻，成为影响成品率和产品质量性能的主要因素。要保证绝缘电压V_ISO≥2500V(A·C)并进一步再提高，又不要把陶瓷片厚度加厚，即不增模块的结壳热阻R_thjc，成了模块生产要解决的重要课题。

发明内容

鉴于传统电力半导体模块制造方法的上述缺陷，本发明所采用的技术方案是提供一种能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thjc的电力半导体模块结构件的制造方法，该电力半导体模块在现有压接式模块结构件的基础上，加上一层绝缘膜和一金属片，再把原来较厚的陶瓷片减薄后构成，其特征在于：在压接式模块结构件的底板正面喷涂、粘贴或平铺一层绝缘膜；在绝缘膜之上再附加一层金属片；在金属片之上再附加一层减薄的陶瓷片。

并且，提供一种能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thjc的电力半导体模块结构件，包括底板，底板之上叠压的陶瓷片，陶瓷片之上叠压的电极，所述电极用塑壳中的定位环来定位，所述电极之上还叠压有芯片，其特征在于：在所述底板与所述陶瓷片之间还叠压有一层绝缘膜；所述绝缘膜上具有定位孔；所述绝缘膜的定位孔上放置有金属片，所述金属片位于所述陶瓷片与底板之间，金属片的形状与尺寸与定位孔相适应。

根据本发明的优选实施例，其中所述金属片为导热性好、延展性佳的金属。

根据本发明的优选实施例，其中所述金属片为银或铜，或者为纯铝。

根据本发明的优选实施例，其中所述绝缘膜采用能耐180℃以上高温的材料。

根据本发明的优选实施例，其中所述绝缘膜采用聚四氟乙烯或硅橡胶膜。

根据本发明的优选实施例，其中所述绝缘膜采用在底板上喷涂、平铺或粘贴绝缘材料来实现。

根据本发明的优选实施例，其中所述陶瓷片为BeO，ALN，DCB和/或AL₂O₃陶瓷绝缘片。

根据本发明的优选实施例，其中所述绝缘膜定位孔直径D2，金属片直径D1和陶瓷片直径D之间的尺寸关系为D＞D2＞D1，并且所述金属膜的厚度比绝缘膜的厚度大0.1mm以上。

根据本发明的优选实施例，其中所述绝缘膜的尺寸与底板上接触的塑壳底面尺寸大小相同，并且所述绝缘膜中除了定位孔以外，还具有一些与塑壳底面中其它部件相应位置的孔。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1示出了现有技术中焊接式模块的内部结构示意图；

图2示出了现有技术中压接式模块的内部结构示意图；

图3示出了现有技术中通常所采用装配结构的示意图；

图4示出了改良结构的示意图；

图5示出了根据本发明的结构示意图；

图6示出了典型的250A453Y3模块结构件用绝缘膜、金属片和陶瓷片的设计尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的电力半导体模块制造方法的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

图3示出了目前大量采用的结构，它用灌封硅凝胶或硅橡胶来填充所有电极和底板之间的所有空间，虽然采取了抽真空排除其中的气泡的工序，但由于各种脏污和排不掉狭小缝隙中的气泡、胶不能全部填满导至绝缘电压成品率不高。

图4为现在还较为少见的改良结构示意图。它作了很大的改进，但是在陶瓷片的周边，还存在电极和底板之间的高压放电的通道，绝缘电压也不能得到彻底解决。最关键的是不能像本发明所提出的结构(如图5所示)中，既彻底解决绝缘电压问题并可再提升绝缘电压值，又能把陶瓷片减薄，以减小模块的结壳热阻R_thjc。提高模块的通态电流I_T(AV)。

图5示出了根据本发明的结构示意图，它是在现有的所有压接式模块结构件的基础上，加上一层绝缘膜和一金属片，再把原来较厚的陶瓷片减薄后构成。对原来的模块结构件的技术要求，所有零件的尺寸，加工精度和材料质量一律不变。

该电力半导体模块在现有压接式模块结构件的基础上，加上一层绝缘膜和一金属片，再把原来较厚的陶瓷片减薄后构成。具体步骤包括：在压接式模块结构件的底板正面喷涂、或粘贴或平铺一层绝缘膜；在绝缘膜之上再附加一层金属片；在金属片之上再附加一层减薄的陶瓷片。其他步骤按照传统的装配步骤依次装配完成，无须任何改动。

一般而言，将预制好的绝缘膜片平铺在待装配的模块底板上；将模块的塑料底座放上(孔洞一一对应)，并用螺钉将其固定在模块底板上；将金属片放在绝缘膜的定位孔上，再放上陶瓷片，然后依次安装电极、芯片。

根据本发明的优选实施例，该电力半导体模块结构件，包括底板，底板之上叠压的陶瓷片，陶瓷片之上叠压的电极，所述电极用塑壳中的定位环来定位，所述电极之上还叠压有芯片。其中在所述底板与所述陶瓷片之间还叠压有一层绝缘膜；所述绝缘膜上具有定位孔；所述绝缘膜的定位孔上放置有金属片，所述金属片位于所述陶瓷片与底板之间，金属片的形状与尺寸与定位孔相适应。

本发明的设计和加工规则如下：

4-1.在所有的压接式模块结构件的底板正面喷涂、粘贴或平铺一层绝缘膜，附加一层金属片，再加一减薄的陶瓷片，如图5所示。根据本发明的优选实施例，所述绝缘膜采用在底板上喷涂、平铺或粘贴绝缘材料来实现。

4-2.根据本发明，其设计尺寸规则如下(图6是典型的250A453Y3模块结构件中用的绝缘膜、金属片和陶瓷片的设计尺寸图)：

(1)设陶瓷片为圆片，直径为φD，金属片直径为φD1，绝缘膜中对应的圆孔孔径为φD2，则D1＝D-2^+0.2，D2＝D-2^-0.2。

总的要求，D＞D2＞D1，而D2必须比D小1mm以上。

＊D₁和D₂可同时变化，规则D＞D₂＞D₁。

(2)设绝缘膜厚度为W，金属片的厚度为W1，则W1必须比W厚0.1mm以上。

(3)绝缘膜、金属片和陶瓷片的厚度选择，可根据对绝缘电压的高低要求而定，对于通常的绝缘电压V_ISO≥2500V(而言)，图中的厚度就足以保证。

(4)绝缘膜图形应与塑壳底座下端的尺寸完全一致。如图6所示。

绝缘膜的尺寸与结构件中塑壳底面(与底板的接触面)尺寸大小相同。绝缘膜中的孔除定位孔φD₂以外，还应打一些与塑壳底面中其它部件相应位置的孔。

(5)绝缘膜采用耐高温(一般为180℃以上)的硅橡胶和聚四氟乙烯材料。其它的耐180℃高温、绝缘强度≥10KV/mm以上的绝缘材料，也可用来代替本发明的绝缘膜。

(6)金属片采用导热性能好和延展性能佳的银、铜材料。当然，金属片采用导热良好、延展性好的类似材料均可，例如纯铝。

(7)陶瓷片一般可选用BeO，ALN，DCB和/或AL₂O₃陶瓷绝缘片。

本发明的优点如下：

4-3.首先，对各种压接式的模块结构件另件无需作任何的改动，方便易行。

4-4.其次，由于所有的电极和底板之间的空间全被绝缘膜和陶瓷片所覆盖隔离，没有高压放电的直接通道，而绝缘膜和陶瓷片的绝缘强度都在10KV/mm以上，只要模厚和陶瓷片的厚度选择合理，绝缘电压，可以达到100％的合格率。

4-5.另外，模块的装配工序简单，与原来的工序一样，所不同的是把原来的模块的底板变成了已喷涂，粘贴或平铺了绝缘膜的底板，再把金属片放在绝缘膜对应的孔中，以下的工序无需变更。

4-6.再者，只需把陶瓷片、绝缘膜和金属片的厚度按照前面所述的设计规则适当地加厚，则绝缘电压可以做的更高，4000V、5000V......

4-7.最后，目前模块市场上大量的是500A2000V以内的模块，少量的可做到1200A3000V。本发明给制造更大电流容量电压更高的模块提供了坚实的基础。理由于下：

1)、模块的工作电压，即晶闸管的断态和反向重复电压V_DRm和V_RRm提高了，自然要求模块的绝缘电压也相应地提高，如4-5所述，本发明得到了解决。

2)、本发明的最大特点就是可以把陶瓷片减薄，在满足绝缘电压要求的条件下，把陶瓷片减到最合理的厚度，这样陶瓷片本身的热阻随着成比例地降低，这就使模块的总热阻R_thjc降下来。这样，从式1可以看出，耗散功率P增加了，通态电流I_T(AV)也增加了。下面的表2，就是用氮化铝陶瓷片(导热率为180W/m.k)不同的厚度，参照德国IXYS MCC-255i01模块的数据，按式1进行计算的相对值。

氮化铝厚度(mm)	1.5	1.0	0.6	0.4	0.3
						氮化铝相对热阻％	100	67	40	27	20
结壳热阻相对值％	100	83.5	70	63.5	60
						IT(AV)相对值％	100	113.9	133.5	144	150
IT(AV)相对增加值％	0	13.9	33.5	44	50

表2  陶瓷片厚度减薄的效果

从表2可以看出，用同样性能的芯片来装模块，只要把陶瓷片厚度减薄，通态电流值I_T(AV)就能增加10％以上，乃至50％，当然陶瓷片的加工技术，国内只能生产0.4mm厚的薄片。0.6mm厚可以大量生产。这样可以预计采用本发明中的结构件，用0.6mm厚的陶瓷片，就可装配出1500A5000V以上的模块。另一层意思就是说，原来用1.5mm厚氮化铝片装配的400A模块(400A分立器件的芯片装配)原来最多能通300A，而把陶瓷片换成0.6mm厚(0.4mm厚更好)，那就可通350A以上的通态电流了，这意味着把陶瓷片减薄后：

(1)通态电流等级可以提高。

(2)同样通态电流等级的模块，可以用较小的芯片来装配。

(3)从表1和表2可以看出，0.3mm厚氧化铝的热阻近似于1.5mm厚氮化铝的热阻。也就是说他可以替代1.5mm厚氮化铝，而氮化铝的价格比氧化铝的价格贵10倍以上，成本的下降是相当可观的。

4-8.绝缘陶瓷氧化铍，氮化铝和氧化铝的维氏硬度分别为11767.9、11767.9和24516.6，抗弯强度分别为196.392和294。由于本发明中，陶瓷片下面垫的银或铜(退火处理)片，它们的延展性很好，只要压接件加工精细，平整，压力平行且均匀，薄的陶瓷片是不会压坏的。

4-9.在本发明中，由于在模块中所有的电极与底板之间，没有了高压放电的直接通道，绝缘电压V_ISO≥2500V(A·C)能得到保证，所以对模块无需进行硅凝胶或硅橡胶的灌封，也省去了抽真空排泡和胶的高温固化工艺，缩短了生产周期，降低了成本。

为了保护芯片和其他的另件不受环境的污染，也可以进行灌封，但可以不抽真空排泡，从而避免了在芯片和其他另件相互之间的接触面填充一很薄的胶膜，这层胶膜严重影响模块的导电和导热性能。

4-10.本发明解决了绝缘问题，因而消除了人们测试高压时的紧张，恐惧心理，也消除了因绝缘电压不合格产品进行返工修复时的麻烦心理，有益于操作人员的身心将康。

4-11.依据模块容量的大小，绝缘膜，金属片的成本只增加了1-4元，而它产生的经济效益，要高于它的10倍以上乃至20和30倍。

我国的电力半体模块虽然还远落后于西方发达国家，但近几年来发展迅速，中低档模块的产量和质量迅速提高，目前我国的压接式模块年产量约在30-50万只，而且还在以年20-30％的速度增加，本发明将对他们的生产效率，成品率和质量的提高，成本的降低起到推动的作用，利用本发明生产的高品质的国产模块将改变充满洋货的国内模块市场，并进而转向出口，从而产生几百万乃至几千万的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thjc的电力半导体模块结构件的制造方法，该电力半导体模块在将芯片通过模块结构件压装在模块底板上的现有压接式模块结构件的基础上，加上一层绝缘膜和一金属片，再把原来较厚的陶瓷片减薄后构成，其特征在于：

在压接式模块结构件的底板正面喷涂、粘贴或平铺一层绝缘膜；

在绝缘膜之上再附加一层金属片；

在金属片之上再附加一层减薄的陶瓷片。

2.一种能提升绝缘电压V_ISO又能降低结壳热阻R_thjc的电力半导体模块结构件，包括底板，底板之上叠压的陶瓷片，陶瓷片之上叠压的电极，所述电极用塑壳中的定位环来定位，所述电极之上还叠压有芯片，其特征在于：

在所述底板与所述陶瓷片之间还叠压有一层绝缘膜；

所述绝缘膜上具有定位孔；

所述绝缘膜的定位孔上放置有金属片，所述金属片位于所述陶瓷片与底板之间，金属片的形状与尺寸与定位孔相适应。

3.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述金属片为导热性好、延展性佳的金属。

4.根据权利要求3所述的电力半导体模块，其中所述金属片为银或铜，或者为纯铝。

5.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述绝缘膜采用能耐180℃以上高温的材料。

6.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述绝缘膜采用聚四氟乙烯或硅橡胶膜。

7.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述绝缘膜采用在底板上喷涂、平铺或粘贴绝缘材料来实现。

8.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述陶瓷片为BeO，ALN，DCB和/或AL₂O₃陶瓷绝缘片。

9.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述绝缘膜定位孔直径D2，金属片直径D1和陶瓷片直径D之间的尺寸关系为D＞D2＞D1，并且所述金属膜的厚度比绝缘膜的厚度大0.1mm以上。

10.根据权利要求2所述的电力半导体模块，其中所述绝缘膜的尺寸与底板上接触的塑壳底面尺寸大小相同，并且所述绝缘膜中除了定位孔以外，还具有一些与塑壳底面中其它部件相应位置的孔。

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