CN113614865B - 具有集成无源件的功率模块的封装件 - Google Patents

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Abstract

本文中提供了一种用于封装半导体的模块，包括：至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，顺电电介质具有大于10至不超过300的介电常数；并且其中，PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器。

Description

具有集成无源件的功率模块的封装件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月21日提交的未决美国临时专利申请No.62/808,493的优先权，该申请以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于包括集成无源部件的功率模块的封装件。更具体地，本发明涉及一种用于包括电容的功率模块的封装件，该电容与模块集成，从而最小化包含单独的电容器作为安装部件的必要性。
背景技术
不断需要减小电子设备的尺寸。在本领域中被称为小型化的这种努力以两种主要方式表现出来。一个主要焦点是部件级别，其中，在结构或功能方面针对低效率区域，每个部件都不断受到检查，目的是在较小的体积中实现更高级别的功能。另一个主要焦点是模块或电子装置处的级别，其中，将电子部件的组件组合在一起以形成功能模块或功能装置。本发明具体涉及模块的小型化，特别是功率模块的小型化。
与功率模块的小型化相关的努力已经导致了宽带隙半导体(诸如基于SiC和GaN的半导体)的使用，它们在更高的开关频率和更高的电压下操作。在更高的开关频率下，需要的电容更少，因此被电容器占用的空间减少。例如，在以Hz为单位的给定频率下，DC-LINK电容器所需的电容量可以使用等式1计算：
Figure BDA0003272882030000011
其中，
C＝电容(F)；
Pload＝功率(W)；
Uripple＝纹波电压(V)；
Umax＝最大电压(V)；以及
frequency＝开关频率(Hz)
使用等式1，可以估算给定功率负载所需的电容，如图1和图2中所示。如图1和图2中可见，增大电压进一步减少了所需的电容，但随着功率负载增加，需要更高的电容。增大开关频率还降低了缓冲电容器所需的电容。较小的电容值是尺寸减小所希望的，但在较高频率下，电磁干扰(EMI)成为问题。
在低频率下，需要高功率和较低电压的非常大的DC-Link电容器，如图1和图2中所示。在20kHz的开关频率下，以基于Si的半导体为例，所需的大电容由膜和电解电容器支持。然而，采用基于SiC和GaN的宽带隙半导体装置，它们可以在甚至更高的频率和电压下进行开关，因为它们支持高转换效率和较小的尺寸。
低温共烧陶瓷(LTCC)已被用于封装具有其他无源部件的半导体。然而，所使用的玻璃陶瓷材料具有低于10的低介电常数，并且它们主要用于高频率和用于低压能量转换以及用于控制电子设备。这种低介电常数的结果是仅在原位实现低电容，并且必须通过表面安装或嵌入将具有低压分立电容器的较高电容值并入这些封装件中。
本文提供了一种适用于高电压和高开关频率的功率模块。此外，本文提供了一种用于高电压和高开关频率的功率模块，其允许功率模块的进一步小型化。
发明内容
本发明涉及一种具有集成无源件(具体地，电容器)的改善的功率模块。
更具体地，本发明涉及一种基于具有高介电常数、顺电电介质的多层陶瓷电容器结构的具有嵌入式电容的改善的电源。
提供了用于封装半导体的模块的如将实现的这些和其他实施例，该模块包括：
至少一个顺电电介质电容器(PDC)，其包括具有交替极性的并联内部电极，以及在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，顺电电介质具有10以上至不大于300的介电常数；以及
其中，PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器。
附图说明
图1图示地示出了在具有10％的纹波电压的400V下在各种功率电平下的作为频率的函数的电容。
图2图示地示出了在具有10％纹波电压的1200V下在各种功率电平下的作为频率的函数的电容。
图3示意性地示出了本发明的实施例。
图4示意性地示出了本发明的实施例。
图5至图8示意性地示出了本发明的PDC。
图9示意性地示出了本发明的实施例。
图10示意性地示出了本发明的代表性部件。
图11和图12示意性地示出了适用于本发明中的内部电极图案。
图13至图16示意性地示出了本发明的实施例。
图17和图18图示地表示了本发明的实施例。
图19是本发明的实施例的图像。
图20示意性地示出了本发明的实施例。
图21示意性地示出了本发明的实施例。
图22示意性地示出了本发明的实施例。
图23示意性地示出了本发明的实施例。
图24示意性地示出了本发明的实施例。
图25示意性地示出了本发明的实施例。
图26示意性地示出了本发明的实施例。
图27示意性地示出了本发明的实施例。
图28示意性地示出了本发明的实施例。
图29示意性地示出了本发明的实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种改善的功率模块，更具体地，涉及一种包括嵌入式或积分电容的功率模块。更具体地，本发明涉及一种利用嵌入式多层陶瓷电容器结构以将嵌入或集成到模块或微处理器(而不是分立安装的部件)的电容有效地合并的高功率电子设备的改善的封装。
提供了改善的功率模块封装件，优选地，其包括嵌入式电容器(本文中被称作顺电电介质电容器(PDC))，其中，嵌入式电容器包括顺电电介质。PDC的使用允许进一步小型化功率模块并在更高的电压和更高的频率下操作。在衬底中嵌入PDC使衬底的体积功能化，从而提供嵌入式电容而不牺牲电路面积并且不需要安装的部件。此外，形成功率模块的电路的传导路径显着最小化，这改善了ESR和ESL，从而改善了模块的电气功能。为了促进这种小型化，需要可以在更高电压和频率下操作的电容器，其中，电容器可以靠近宽带隙(WBG)半导体进行封装，尽管它们的结温可能高达250℃左右。
将参照构成本公开的整体部件的附图来描述本发明，但不限于此。在各个附图中，类似的元件将被相应地编号。
将参照图3描述本发明的实施例。在图3中，模块的一部分以隔离(isolation)视图示出。顺电电介质电容器(PDC)在10处示出。PDC包括平行的平面内部电极14，其中，相邻的电极具有相反的极性。相邻电极之间是顺电电介质12。内部电极形成电容耦合。电容耦合终端16与交替的内部电极14电接触，从而提供电容耦合到PDC接口焊盘18的电连接或其等效物，这允许到模块的至少一个部件24的电连接，如将在本文中更充分地描述。与接口焊盘的连接在本文中没有特别限制，优选通过焊料球、焊料柱或引线键合进行安装。
将参照图4描述本发明的实施例。在图4中，模块20以局部示意图示出。该模块包括至少一个PDC 10，其嵌入结构衬底22中，可选且优选地，至少PDC的内部电极包封在顺电电介质12中。安装到结构衬底、安装在结构衬底上或安装在结构衬底中的多个部件24彼此电连接和/或与PDC电连接，以提供模块所需的电气功能。电源28为模块提供电力，控制器26调节提供到通电装置30的电力。图4中未示出PDC与多个部件之间的电路迹线，因为要形成模块的部件连接是本领域已知的并且不限于此。
PDC 10、结构衬底22和部件24可以一起构成微处理器，其中，微处理器可选地位于模块20内。嵌入微处理器中的PDC特别适合在较低的电压(诸如小于200伏的电压)下使用。
将参照图5至图8描述PDC，其中，示意性地示出了包括顺电电介质的多层陶瓷电容器。在图5中，为了讨论的目的，示出了一对内部电极100并将其标记为A和B。在实践中，内部电极优选地是相同的。每个电极具有电容区102和多个接片(tab)104。内部电极与相邻的电极之间的顺电电介质堆叠在一起，且内部电极A和B交替，使得电容区对准并交替接片，内部电极中的一些(例如，A)对准以形成内部电极的堆叠。堆叠在图6中以顶部示意图示出，其中，相邻的接片具有交替的极性。整个组件优选地包封在陶瓷(优选地是顺电电介质)中。在图7中所示的实施例中，外部终端106形成为与共同极性的对准的接片电接触。在使用中，外部终端用作电容耦合终端，电容耦合终端随后与PDC接口焊盘电接触。外部终端优选地包括选自铜、镍、钨、银、钯、铂、金或其组合中的至少一种材料。
在图8所示的实施例中，其中，通孔108被形成为穿过具有共同极性的对准的接片的堆叠件。所述通孔用作电容耦合终端，所述电容耦合终端随后优选地通过优选地在所述PDC的表面上的外部终端与所述PDC接口焊盘电接触。通孔提供低热阻路径以从模块移除不需要的热量。在具有镍内部电极的优选的锆酸钙基电介质的情况下，优选铜填充的通孔。在接片和通孔上暴露的铜表面可以用镍、银、锡、金、钯或这些的组合进行上电镀(over-plated)。可以通过使用在构造中使用的电介质带中的间隙或通过在生坯或烧结坯体中对它们进行机加工，来形成通孔。本领域技术人员还将认识到，这些可以用于在不接触内部电极时的纯机械附接。此外，部件表面上的迹线可以通过利用可选的电镀对铜进行丝网印刷形成，以提供用于封装模块内的其它部件以及接触半导体的焊盘和电接触件。
将参照图9描述本发明的实施例，其中，为了讨论和清楚描述的目的，以示意图示出三相功率模块。在图9中，第一部件由AC电源200表示。表示为电磁干扰或射频干扰滤波器EMI/RFI的第二部件202可以是表面安装的，与AC电源集成，或者EMI/RFI可以嵌入结构衬底22中，如所示的，其中，电容耦合终端161至163在PDC接口焊盘181至183处终止。在图10中示意性地示出了代表性的EMI/RFI滤波器作为示意图A。在一个实施例中，至少EMI/RFI滤波器的电容器是如本文所述的嵌入式PDC。表示为AC谐波滤波器的第三部件204优选地通过内部电极2011至2013接收经EMI/RFI滤波的功率。在图10中示意性地示出了代表性AC谐波滤波器作为示意图B。在一个实施例中，AC谐波滤波器的电容器和电感器是如本文所述的嵌入式PDC。表示为AC/DC转换器的第四部件206可以是用于将AC信号转换为DC的安装的装置。AC/DC转换器可以通过电容耦合终端164至166电连接到AC谐波滤波器，所述电容耦合终端终止于PDC接口焊盘184至186处，从而最小化传导路径长度。在AC/DC转换器与表示为DC/AC逆变器的第五部件214之间，是表示为缓冲器208和212的嵌入式部件以及DC链路电容器210。在图10中示意性地示出了代表性缓冲器作为示意图C，并且在图10中示意性地示出了代表性DC链路电容器作为示意图D。缓冲器的电容器优选地是通过电容耦合终端167至1610与PDC接口187至1810电通信的嵌入式PDC。DC链路电容器优选地是嵌入式PDC，并且优选地通过内部电极2013至2016与每个缓冲器电连接。内部电极的使用改善了法拉第屏蔽，从而使从模块发出的EMI噪声最小化。
在一些电路设计中，为了实现最佳性能，具有最低等效串联电感(ESL)和/或最低等效串联电阻(ESR)是有利的。包含在该结构内的具有相反极性的多个电容器使ESL最小化。如将从图11认识到，如以上关于图5和图6所述的交替堆叠层A和层B在公共结构内提供两个电容耦合，其中相邻的外部终端将具有相反极性，这使得ESL最小化。
为了防止电路的振铃，有时希望增加电容器的ESR。增加PDC中的ESR可通过增加PDC的内部电极中的路径长度来实现。如将从图12认识到的，通过利用如在由A-1和B-1的交替层以及其间的电介质形成的PDC中的矩形内部电极，来实现更大的重叠面积。随着路径长度到宽度的减小，如从图12的从左侧到右侧所示，ESR增加。通过组合电容器的数量和电极形状，可以优化ESL和/或ESR。
使用这些技术，可以优化包含模块的PDC的性能。
低电感是有益的，因为WBG半导体应用中的较高的开关电流边缘速率dI/dt和较高的开关频率产生驱动电感负载的较大的电压振铃。靠近开关封装件放置的缓冲电容器有助于减少这种振铃。将缓冲器集成在衬底中进一步减小了从缓冲器到开关装置的总回路电感，从而最大化缓冲器的益处。
嵌入式PDC与其它部件组合可提供适合于许多应用的模块或电子封装件。图13示意性地示出了飞跨电容器电路。图14示意性地示出了零电压开关(ZVS)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电路。图15示意性地示出了MOSFET H桥电路。图16示意性地示出了集成换向电容器。
在图13所示的具有2个开关单元的示例中，多级飞跨电容器逆变器换向回路电感是限制因素。增加靠近开关的附加的集成换向电容器改善了换向性能。在软开关中，如图14中所示，缓冲器可用于在负载电流改变方向时供应充电和放电电流，以实现零电压开关(ZVS)。
在图15和图16中所示的4个开关电路中，增加靠近开关的电容改善了诸如位于更远离开关装置的DC链路或飞跨电容器的大容量平滑电容器的性能。
将参照图20描述本发明的实施例。在图20中，模块218上具有与至少一个半导体19接触的至少一个散热层20。散热层促进从模块的横向散热。至少一个PDC 10与半导体电接触，优选地与半导体和PDC之间的散热层电接触。PDC可通过穿过散热层的绝缘通孔222电连接到半导体，其中，绝缘通孔具有导电芯226和绝缘体224，以在延伸穿过散热层的通孔中将导电芯与散热层电分离。
使用与通孔(特别是导通孔(through via))耦合的PDC提供了分立封装方法的替代方案。使用现有技术中公知的技术(诸如焊料球安装)将所得到的多电容器PDC封装到微处理器，以形成集成的微处理器-电容器部件。可以预期，其它类型的部件可以被封装为PDC的一部分，这些包括ESD抑制器、电感器和其它部件。
由诸如Al2O3、BeO、AlN、Si3N4的氧化物形成的具有各种金属化的典型高功率衬底可用作散热层。例如，AlN和BeO因其高热导率而受到重视。例如，AlN的热导率为140W/m-K至200W/m-K。然而，BeO是有毒的，AlN具有Cu金属化可靠性的问题。由于这些原因，具有35W/m-K至60W/m-K的热导率的Si3N4与钎焊的Al适用于本发明的说明。为了改善在z方向上的PDC导热性，优选较高导热性的材料。PDC可在有源内部电极的最后一层上并入覆盖层，所述覆盖层包括比PDC电介质更高的热导率材料。本领域技术人员将认识到，这可以通过以下方式来实现：使用绝缘键合层或更实际地使用在制造工艺期间将与PDC共烧的包括高热导率电介质的覆盖层。在CaZrO3基电介质的情况下，因为对氧的高亲和力，可以实现与空气敏感材料(诸如AlN、Si3N4)的组合。在烧结贱金属电极和非氧化物陶瓷所需的还原气氛(reducingatmosphere)中烧制期间，氧没有损失。其它氧化物陶瓷释放氧，并且所产生的空位随后会在电场下迁移，从而损害可靠性。锆酸钙的这种行为使得与非氧化物衬底材料的结合可行。当考虑热膨胀系数(CTE)时，将CaZrO3与这些非氧化物衬底材料有效结合的能力也是重要的。这是因为重要的是使CTE失配最小化以提高可靠性。锆酸钙具有8.4PPM/℃的CTE，其接近于在8PPM/℃至10PPM/℃范围的商业Al2O3和BeO基衬底。然而，非氧化物衬底材料(诸如AlN和Si3N4)具有在3.3PPM/℃至5.6PPM/℃范围内的较低CTE，因此将这些材料与CaZrO3有效组合可以解决这种失配。
用于散热层的特别优选的材料是具有比PDC的介电常数低的介电常数的电介质。包括具有比PDC的陶瓷低的介电常数的电介质的散热层在高频性能方面具有特别的优点。
在另一个实施例中，与PDC的内部自加热相关的问题可通过引入至少一个(优选连续的)穿过PDC主体的散热通道来减轻，所述散热通道允许通过传热介质的传热降低PDC的核心温度。尽管PDC的内部电极通过电极的面更有效地将热量消散到高功率应用中的终端，但是需要更有效地去除热。传热介质可以是静态的，具有有限的流动，或者它可以流入且流过散热通道，以增加热量从MLCC的内部传递走。
将参照图21和图22描述本发明的实施例，其中，在图21的示意性截面侧视图和图22的示意性截面端视图中示出通常以110表示的本发明PDC。在图21和图22中，PDC包括交错的并联内部电极112和114，其间具有电介质116，其中相邻的内部电极终止于具有相反极性的外部终端118和120。平行于内部电极的散热通道122优选地突破电容器主体的至少一个表面，并且更优选地提供具有穿过电容器主体的连续通路的通道。散热通道或开口的终端优选位于电容器主体的没有外部终端的表面上，从而允许接近通道的开口124，以允许传热介质进入散热通道的一个开口并优选在不同的开口处离开散热通道。可以提供跨越散热通道的高度的可选的支柱126，以改善结构完整性或提供湍流以减少层流，从而增加电容器主体和传热介质之间的传热速率。支柱优选地不在电容器的整个宽度上延伸，诸如从开口延伸到开口。在图21和图22的实施例中，散热通道在所有侧面上由陶瓷限定，在散热通道和内部电极112和114之间没有接触点。陶瓷不是有效的热导体，因此在所有侧面上由陶瓷限定的散热通道缺乏传热效率。然而，陶瓷不是导电的，这允许更宽范围的传热介质，因此该实施例在一些应用中是有利的。
在替代实施例中，散热通道在三个侧面上由陶瓷限定，并且在一个侧面的至少一部分上由内部电极限定。在另一替代实施例中，散热通道在两侧上由陶瓷限定，并且在两侧的至少一部分上由内部电极限定，如在通过引用并入本文的美国专利No.10,147,544中所示和所述的。散热通道由至少一个内部电极限定的具体优点是由内部电极提供的增强的传热，该内部电极通常比陶瓷在传热方面更有效。如果传热介质与内部电极接触，则优选的是传热介质是不导电的和无腐蚀性的。
将参照图23描述本发明的实施例，其中，以示意性截面侧视图示出了通常以110表示的本发明PDC。在图23中，PDC包括多个散热通道122，在其间具有屏障(阻挡件)127，其中，散热通道布置在多个公共散热通道平面中，其中，每个公共散热通道平面平行于内部电极。
将参照图24描述本发明的实施例，其中，PDC以示意性截面图示出。在图24中，外部终端118和120以及陶瓷116如上所述。示出了屏蔽电极128和129，其中屏蔽电极被定义为定位为PDC中的最外面的内部电极的具有相反极性的共面电极。屏蔽电极阻止从外部终端到具有相反极性的内部电极的电弧。例如，电极128和129'抑制了外部终端与具有相反极性的最近的内部电极130和131之间的电弧。散热通道122与具有相反极性的共面内部电极132和134共面。在图24所示的实施例中，散热通道在所有侧面上由陶瓷限定，如前所述。
将参照图25描述本发明的实施例，其中，PDC以示意性截面图示出。图25的PDC包括具有相反极性的共面有源内部电极136和138，以及在平行于共面有源内部电极的平面中的浮动电极140，并且优选地每个浮动电极具有与每侧相邻的共面有源内部电极。有源电极在本文中被定义为与外部终端电接触的内部电极。浮动电极是不与外部终端电接触的内部电极。至少一个散热通道122与具有相反极性的共面有源电极共面。
将参照图26描述本发明的实施例，其中，PDC以示意性截面图示出。图26的PDC包括具有相反极性的共面有源内部电极136和138，以及在平行于共面有源内部电极的平面中的浮动电极140，并且优选地每个浮动电极具有与每侧相邻的共面有源内部电极。至少一个散热通道122与共面有源内部电极共面，并且可选地与内部电极流动接触。
将参照图27描述本发明的实施例，其中，PDC以示意性截面图示出。在图27中，散热通道122在其内部涂覆有可选的涂层130，其优选为导热涂层，从而增加陶瓷与传热介质128之间的热传导。在本文中，对涂覆材料没有特别的限制，优选能够涂覆电介质并提供从电介质到传热介质的充分传热的材料。将参照图28描述本发明的实施例。在图28中，PDC 110具有散热通道122，其不平行于电极112和114，并且优选地垂直于电极。通过利用穿过电极的散热通道，可以实现传热介质和内部电极之间的更高接触。在一个实施例中，传热介质不是导电的。在另一个实施例中，导热但电绝缘的涂层可以施加到散热通道的内部。
将参照图29描述本发明的实施例。在图29中，模块218具有安装到至少一个半导体19的PDC 110，其中，PDC包括穿过其的至少一个散热通道，其中，散热通道平行于电极、垂直于电极或与电极呈在平行与垂直之间的中间角度。冷却装置228耗散通过散热通道收集的热量。冷却装置可以是通过与介质(优选空气)相互作用而散热的无源装置(诸如散热器)。可替代地，冷却装置可以是通过电、机械或化学方法(诸如通过绝热膨胀、流动介质或通过珀耳帖(Peltier)技术)散热的有源装置。
包括金属、导热陶瓷、聚合物及其组合的导热无机或有机材料特别适合于说明本发明。硅热润滑脂由于其高导热性、低耐热性、成本、可加工性和可再加工性(reworkability)是特别优选的。作为非限制性的示例，Dow
Figure BDA0003272882030000111
(道康宁公司)TC-5026、Dow/>
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TC-5022、Dow/>
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TC-5600、Dow/>
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TC-5121、Dow
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SE4490CV、Dow/>
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SC 102；Dow/>
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340散热器；Shin-Etsu
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X23-7853W1、Shin-Etsu/>
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X23-7783 D、Shin-Etsu/>
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G751和Shin-Etsu/>
Figure BDA00032728820300001111
X23-7762D特别适合用作散热通道中的涂层。
传热介质可以是气体或液体，或者是静态的或者是流动的，以改善热传导。不是电导体的材料是特别优选的。全氟化烃、纳米流体、矿物油和醚由于它们具有有效的传热能力和最小的电导率是特别合适的。作为非限制性的示例，
Figure BDA00032728820300001112
HT55、/>
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HT70、
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HT200、
Figure BDA0003272882030000125
HT230和/>
Figure BDA0003272882030000126
HT270特别适合作为用于说明本发明的传热介质。诸如空气的气体、至少部分干燥的空气或惰性气体特别适合作为传热介质。
在PDC的制造期间，散热通道可通过各种技术形成。可以在对应于散热通道的预定图案中用牺牲有机材料或碳印刷陶瓷前体层。在PDC的烘干和共烧结期间，优选通过蒸发去除牺牲有机材料或碳。陶瓷带区域可以在层压PDC之前被去除，或者散热通道可以在烘干和烧结之前或之后被加工出来。
通过依次对适当对准的陶瓷前体和导体前体分层来制备PDC，如本领域中已知的。在建立足够数量的层之后，加热该组件以形成内部导体和烧结陶瓷的交替层，其中在陶瓷层中具有散热通道前体。
在旨在具有散热通道的每一层中，以对应于散热通道的图案印刷预通道材料。在烧结时，预通道材料蒸发，在印刷的预通道材料的形状中留下孔隙。非挥发性材料(优选陶瓷)可以被添加到预通道材料中以在孔隙中形成支撑支柱。
预通道材料是可以以预定图案施加的任何材料，并且在层烧结时留下作为孔隙的散热通道。特别优选的材料是其中排除了金属的电极油墨。由于其容易获得和其固有的与制造环境的适应性，这样的材料是优选的。另一种特别合适的材料是与陶瓷前体一起使用的粘合剂，其中，不包括陶瓷前体。
大面积的结构衬底通常不具有电气功能。重新分配这些区域以形成嵌入电容为电容耦合提供了增大的重叠区域，而不增加模块的总体积。这些优点与电介质的高介电常数结合，在功率模块的无电气功能的区域中提供了高电容值。此外，通过在结构表面内结合高电压电容，基本上消除了具有相反极性的部件之间的电弧，这相对于表面安装的分立部件是主要优点。
用于构造PDC的陶瓷材料对于可靠的功能和较高的电压(诸如高于200V的电压)是关键的。这是因为多层陶瓷结构可以与高电压强烈耦合，从而导致作为陶瓷致动器基础的机械运动。在铁电和反铁电型材料中，这种电致伸缩耦合是高的，并且这可能引起高压电容器中的故障。由于这个原因，优选的陶瓷材料是具有低电致伸缩耦合系数的顺电材料。特别优选的是相对介电常数在10以上至不大于300，更优选的是至少25至不大于175的顺电电介质。特别优选的顺电电介质包括锆酸钙、非化学计量的钡钛氧化物(诸如Ba2Ti9O20；BaTi4O9)、包含钕或镨的钡稀土氧化物、掺杂有各种添加剂的二氧化钛、钛酸钙、钛酸锶、锆酸锶、钛酸锌镁、钛酸锆锡、铌酸铋锌、钽酸铋锌及其组合。特别优选EIA类1型电介质，特别是含有至少50％重量的锆酸钙的电介质。此外，满足C0G命名的这种类型的温度稳定电介质是最优选的。C0G表示电容热系数为±30℃的电介质。使用锆酸钙的PDC在至少260℃的操作温度下可达到1V至10000V(更优选地，至20000V)的额定电压。使用锆酸钙作为电介质，相对介电常数为32，可以获得在以下条件下的PDC：500V至10000V的额定电压，在500V额定电压下为1.0μF/cc的单位体积的电容；以及在10000V额定电压下为至少0.003μF/cc的单位体积的电容，并且其适用于-65至300℃的额定操作温度范围和150至300℃的最大额定温度。
适用于本发明的结构衬底在本文中没有特别限制，条件是它可以承受为高电压、高开关频率应用所设想的电压和温度范围。本领域技术人员将理解，结构衬底不干扰PDC的功能性，并且如果结构衬底是导电的，则PDC与结构衬底电隔离。非导电性衬底是优选的。特别优选的结构衬底包括：陶瓷，诸如氧化铝(诸如96％Al2O3或99.6％Al2O3)；氮化铝；氮化硅或氧化铍；G10；FR(阻燃)材料，诸如FR1-6、FR4，其为环氧树脂和玻璃的复合物，FR2，其利用酚醛纸或酚醛棉和纸；复合环氧材料(CEM)，诸如CEM1、2、3、4、5；绝缘金属衬底，诸如从Bergquist Mfg购得的铝衬底和包括诸如聚酰亚胺的材料的挠性电路。层压材料、纤维增强树脂、陶瓷填充树脂、特殊材料和柔性衬底是特别合适的。阻燃(FR)层压材料特别适合作为插入层材料，尤其是FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5或FR-6。FR-2是酚醛纸、酚醛棉纸或用酚醛树脂浸渍的纸。FR-4是特别优选的，其是用环氧树脂浸渍的织造玻璃纤维布。复合环氧材料(CEM)是合适的，特别是CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4或CEM-5，它们各自包含增强材料(诸如棉纸、无纺玻璃或在环氧树脂中的纺织玻璃)。玻璃衬底(G)被广泛使用，诸如G-5、G-7、G-9、G-10、G-11和其它，其中最优选G-10和G-11，它们中的每一种是在环氧树脂中的织造玻璃。可以是陶瓷填充的或者是诸如RF-35中的玻璃纤维增强的聚四氟乙烯(PTFE)是特别合适的衬底。聚醚醚酮(PEEK)也是合适的聚合物，特别是因为其耐高温性。诸如氧化铝或氧化钇稳定的氧化锆的电子级陶瓷材料是可获得的，其中，96％Al2O3和99.6％Al2O3是容易商业获得的。双马来酰亚胺-三嗪(BT)环氧树脂是特别合适的衬底材料。柔性衬底通常是可从Kapton或UPILEX购得的聚酰亚胺(诸如聚酰亚胺箔)、或者可从Pyralux购得的聚酰亚胺-含氟聚合物复合物。这些衬底可以包含由铁合金(诸如合金42、因瓦合金(Invar)、科瓦铁镍钴合金(Kovar))或者非铁材料(诸如Cu、磷青铜或BeCu)制成的引线。
这些部件选自晶体管、电容器、二极管、电阻器、变阻器、电感器、保险丝、集成电路、过电压放电装置、传感器、开关、静电放电抑制器、逆变器、整流器和滤波器。特别优选的晶体管是基于GaN和SiC宽带隙装置。这些部件优选地集成到功能装置，诸如AC/DC转换器、DC/AC逆变器、EMI/RFI滤波器、缓冲器、谐波滤波器，特别是AC谐波滤波器。
内部电极优选包括贱金属(诸如镍、铜)或贵/半贵金属(诸如银、钯、钨、铂)或金或其组合，其中，镍或镍合金是优选的。优选的镍合金包括选自Mn、Cr、Co和Al中的至少一种，更优选的是这种镍合金含有至少95wt.％的镍。应注意，镍和镍合金可含有高达约0.1wt.％的磷和其它痕量组分。
示例
制备包括顺电电介质和镍电极的PDC，如图12中，组1中示意性表示的。电极被作为电介质的锆酸钙隔开，PDC的尺寸为3.1cm×5cm×0.3cm。基于650VDC额定BME C0G MLCC的证明的可靠性选择电介质厚度。使用典型MLCC制造工艺来构建含有110个有源层的PDC。图19是CSAM扫描图像，没有显示裂纹、脱层或与构造相关的缺陷。PDC的最终电容为2.7μF，从而得到单位体积的电容为0.58μF/cc。
图17和图18中的数据表明，对于500V至10000V，对于K值等于约32的电介质，可以实现单位体积的电容值1.0至0.003。对于K为300和10的电介质，应用相同的规则，预计将分别得到9.8至0.020和0.33至0.001的单位体积的电容值。
已经参照优选的实施例描述了本发明，但不限于此。本领域技术人员将认识到没有具体陈述但在所附权利要求的集合和范围内的其它实施例和改进。

Claims (27)

1.一种用于封装半导体的模块，包括：
至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，所述顺电电介质具有10以上至不超过300的介电常数；以及
其中，所述PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器，
其中，所述PDC具有500V至10000V的额定电压，并且额定电压在500V时具有至少1.0μF/cc的单位体积电容，并且额定电压在10000V时具有至少0.003μF/cc的单位体积电容。
2.根据权利要求1所述的用于封装半导体的模块，其中，所述PDC嵌入结构衬底中。
3.根据权利要求2所述的用于封装半导体的模块，还包括与交替的内部电极电接触的至少一个电容耦合终端。
4.根据权利要求3所述的用于封装半导体的模块，其中，所述电容耦合终端包括选自于由Cu、Ni、W、Ag、Pd、Pt和Au组成的组中的至少一种金属。
5.根据权利要求3所述的用于封装半导体的模块，其中，所述电容耦合终端选自于外部终端和通孔。
6.根据权利要求2所述的用于封装半导体的模块，还包括至少一个PDC接口焊盘。
7.根据权利要求6所述的用于封装半导体的模块，其中，所述半导体装置与所述PDC接口焊盘电接触。
8.根据权利要求7所述的用于封装半导体的模块，其中，所述PDC接口焊盘通过焊料球、焊料柱或引线键合连接到所述半导体装置。
9.根据权利要求2所述的用于封装半导体的模块，其中，还包括包封在所述结构衬底中的内部电极。
10.根据权利要求1所述的用于封装半导体的模块，其中，所述内部电极包括选自于由Cu、Ni、Al、W、Ag、Pd、Pt和Au组成的组中的至少一种金属。
11.根据权利要求7所述的用于封装半导体的模块，其中，所述内部电极包括Ni。
12.根据权利要求1所述的用于封装半导体的模块，其中，所述介电常数为至少25至不大于175。
13.根据权利要求1所述的用于封装半导体的模块，其中，所述顺电电介质为C0G电介质。
14.根据权利要求1所述的用于封装半导体的模块，其中，所述顺电电介质包括锆酸钙。
15.一种用于封装半导体的模块，包括：
至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，所述顺电电介质具有10以上至不大于300的介电常数，并且
其中，所述PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器，其中，所述顺电电介质包括锆酸钙，其中，所述顺电电介质包括至少50wt.％的锆酸钙，并且
其中，所述PDC具有500V至10000V的额定电压，并且额定电压在500V时具有至少1.0μF/cc的单位体积电容，并且额定电压在10000V时具有至少0.003μF/cc的单位体积电容。
16.根据权利要求15所述的用于封装半导体的模块，具有在-65℃至300℃下操作的额定温度范围。
17.根据权利要求16所述的用于封装半导体的模块，具有在从150℃至300℃的范围内的峰值操作温度。
18.根据权利要求15所述的用于封装半导体的模块，其中，所述PDC包括至少一个散热通道。
19.一种用于封装半导体的模块，包括：
至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，所述顺电电介质具有10以上至不大于300的介电常数；
其中，所述PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器；其中，所述PDC包括至少一个散热通道，其中，至少一个所述散热通道选自平行于所述内部电极和垂直于所述内部电极，并且
还包括与所述PDC电接触的至少一个部件，
其中，所述PDC包括通孔。
20.根据权利要求19所述的用于封装半导体的模块，其中，所述部件选自由晶体管、电容器、二极管、电阻器、变阻器、电感器、保险丝、集成电路、过压放电装置、传感器、开关、静电放电抑制器、逆变器、整流器和滤波器组成的组。
21.根据权利要求19所述的用于封装半导体的模块，其中，所述内部电极的至少一个内部电极通过所述通孔与外部终端电接触。
22.根据权利要求19所述的用于封装半导体的模块，还包括散热层。
23.根据权利要求22所述的用于封装半导体的模块，其中，所述散热层位于所述PDC与所述半导体之间。
24.根据权利要求23所述的用于封装半导体的模块，还包括通过所述散热层的至少一个通孔。
25.一种用于封装半导体的模块，包括：
至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，所述顺电电介质具有10以上至不大于300的介电常数；以及
其中，所述PDC形成与至少一个半导体耦合的电容器；
还包括散热层，并且所述PDC具有500V至10000V的额定电压，并且额定电压在500V时具有至少1.0μF/cc的单位体积电容，并且额定电压在10000V时具有至少0.003μF/cc的单位体积电容；
其中，所述散热层位于所述PDC与所述半导体之间；
还包括通过所述散热层的至少一个通孔；
其中，所述通孔是绝缘通孔。
26.一种用于封装半导体的模块，包括：
至少一个PDC，其包括具有交替极性的并联内部电极和在相邻的内部电极之间的顺电电介质，其中，所述顺电电介质具有10以上至不大于300的介电常数，并且所述PDC具有500V至10000V的额定电压，并且额定电压在500V时具有至少1.0μF/cc的单位体积电容，并且额定电压在10000V时具有至少0.003μF/cc的单位体积电容；以及
还包括散热层；
其中，所述散热层位于所述PDC与所述半导体之间；
其中，所述散热层比顺电电介质具有更低的电介质常数。
27.一种包括根据权利要求1所述的模块的电源。
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