CN212848360U - 一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高压功率模块技术领域，特别是一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，包括从上到下依次连接的上铜层、中间陶瓷层和下铜层，在所述上铜层周围的中间陶瓷层上部开设凹槽，所述下铜层整体嵌入中间陶瓷层下部。采用上述结构后，本实用新型在降低现有功率模块三重点电场强度的同时，实现了三重点位置的转移，将三重点转移至介电强度更高的材料中，提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能。在相同的陶瓷层厚度下，该模块能承受比原先更高的绝缘电压，相比现有的覆铜陶瓷板更适用于碳化硅等高压功率模块场合。

Description

一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板

技术领域

本实用新型涉及高压功率模块技术领域，特别是一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板。

背景技术

功率模块是现代中高功率电力电子应用中不可或缺的一部分，承担了主要的电能变换工作，为了提高功率等级，将功率半导体裸芯片按一定功能排列后灌封成一体，在保证模块电气性能的同时实现可靠的散热、机械性能的模块即为功率模块。随着碳化硅宽禁带半导体的发展，芯片可承受的电压大大超过原有硅器件的极限，拓宽了功率模块在高压领域的应用，但也对现有的封装技术提出了挑战。

在高压应用领域，现有的功率模块内部电场集中现象尤为显著，电场主要集中在铜层、陶瓷层与密封层的交界面，学术界称该交界面所处的位置为三重点（triple point）。当电场强度较高且超过材料介电强度时，可能导致模块内部局部放电发生，且各接触面的热匹配系数相差较大，在较大的热应力下形成空洞，空洞引入加剧了局部放电的现象，大大降低了模块的寿命与可靠性。目前市面上仍缺少对功率模块内部覆铜陶瓷板的绝缘性能进行结构改善的设计，限制了功率模块在更高的电压等级上的应用。

中国实用新型专利CN 209822620 U公开了一种高耐温度循环的IGBT模块，包括散热铜板、设置于所述散热铜板上的陶瓷覆铜板、贴装于所述陶瓷覆铜板上的 IGBT、与所述陶瓷覆铜板连接的信号端子和功率端子、以及壳体；所述信号端子采用相邻两个信号端子并联的方式进行注塑配合，通过注塑工艺与所述壳体形成一体，其下端通过超声波焊接工艺与所述陶瓷覆铜板连接，其上端连接外部电气系统；所述功率端子采用对称式分支结构，两个支脚向内凹陷形成一定弧度；所述信号端子和所述功率端子通过冲压、折弯机械工艺成形。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种绝缘性能好的适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板。

为解决上述的技术问题，本实用新型的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，包括从上到下依次连接的上铜层、中间陶瓷层和下铜层，在所述上铜层周围的中间陶瓷层上部开设凹槽，所述下铜层整体嵌入中间陶瓷层下部。

优选的，所述下铜层倒角后嵌入中间陶瓷层下部。

优选的，所述下铜层厚度为0.1mm，其倒角为0.1mm；所述上铜层厚度为0.3mm。

优选的，所述中间陶瓷层的厚度为1mm，中间陶瓷层上部的凹槽深度为0.3mm，凹槽宽度为0.5mm 。

优选的，所述中间陶瓷层的材料为氮化铝。

采用上述结构后，本实用新型在降低现有功率模块三重点电场强度的同时，实现了三重点位置的转移，将三重点转移至介电强度更高的材料中，提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能。在相同的陶瓷层厚度下，该模块能承受比原先更高的绝缘电压，相比现有的覆铜陶瓷板更适用于碳化硅等高压功率模块场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型功率模块的结构示意图。

图2a为现有技术中功率模块的敷铜陶瓷板结构示意图。

图2b为本实用新型功率模块的敷铜陶瓷板结构示意图。

图3为现有技术中功率模块的敷铜陶瓷板在15kV电压下的电场分布示意图。

图4为本实用新型功率模块的敷铜陶瓷板在15kV电压下的电场分布示意图。

图中：1为基板，2为外壳，3为输出端子，4为下铜层，5为中间陶瓷层，6为上铜层，7为芯片，8为键合线，9为密封层。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，包括从上到下依次连接的上铜层6、中间陶瓷层5和下铜层4。本专利申请的高压功率模块包括基板1，覆铜陶瓷板固定在基板1上，由芯片制造厂制造的裸芯片焊接在覆铜陶瓷板上，芯片7上表面通过键合线8将芯片7焊盘与输出端子3连接。在芯片模块焊接完成后，在加装外壳2之前要先用密封层9将模块覆盖，以防止芯片7受潮辐射老化等现象出现。

如图2a所示，传统的功率模块包含半导体芯片，键合线，覆铜陶瓷板（由上下铜层、中间陶瓷层构成），底部基板，输出端子以及密封层。首先，覆铜陶瓷板上铜层焊有半导体芯片，并通过键合引线将其连接在一起，再通过焊上外部端子建立与外部电路的电气连接，其次，覆铜陶瓷板底层焊有底部基板。最后，在加外壳前通过密封树脂将各部分灌封，其中，外部端子贯穿所述密封树脂并向外延伸至空气。覆铜陶瓷板在传统的功率模块当中扮演至关重要的角色，承担着主要的热传递、电气绝缘以及机械支撑作用。覆铜陶瓷板顶层金属铜层为功率电路布线图，为顶层芯片提供流通路径，底层金属铜层增强了自上而下的热扩散。但是当电场强度较高且超过材料介电强度时，可能导致模块内部局部放电发生，且各接触面的热匹配系数相差较大，在较大的热应力下形成空洞，空洞引入加剧了局部放电的现象，大大降低了模块的寿命与可靠性。

如图2b所示，与现有的覆铜陶瓷板（如图2a所示）本专利申请的中间陶瓷层5结构做了改进，上铜层6周围的中间陶瓷层5上部开设凹槽，所述下铜层4整体嵌入中间陶瓷层5下部。上铜层6为功率电路布线图，为芯片7提供流通路径；中间陶瓷层5承担绝缘耐压的同时也是模块散热的主要通道，作为导热与绝缘的关键部件，中间陶瓷层5的材料选择氮化铝；下铜层4与基板1固定连接，增强了自上而下的热扩散。本实施方式中上铜层6厚度为0.3mm，下铜层4厚度为0.1mm，中间陶瓷层厚度为1mm。不同的是，上铜层周围的陶瓷层设有0.5mm宽、0.3mm深的凹槽，且将下铜层进行倒角0.1mm后嵌入中间陶瓷层5。在制作过程中，先将上铜层6与中间陶瓷层6烧结之后采用精雕机在铜层周围切割出成型的凹槽，并在中间陶瓷层5底部切割下铜层4的预置埋洞。考虑到下铜层4不流通大功率电流以及化学镀铜的最大厚度，将下铜层厚度设为0.1mm，最后通过化学镀铜的方式在陶瓷层下方的预置埋洞完成下铜层4的成型。该新型结构在上铜层周围的陶瓷层设有凹槽，在上铜层周围设置凹槽降低了三重点的电场强度，而且在传统覆铜陶瓷板灌封过程中会在三重点处出现空洞，修改后的结构将可能出现的空洞转移到了凹槽底部，避免在电场最脆弱的地方，即三重点处产生空洞；除此之外，将下铜层倒角后嵌入陶瓷层，倒角后的铜层边缘的电场强度大大减弱，且原来的三重点消失了，电场集中点从灌封胶转移至陶瓷内部，而陶瓷层具有更高的介电强度。上述改动大大提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能，在相同的陶瓷层厚度下，该模块能承受比原先更高的绝缘电压。

图3为现有覆铜陶瓷板的电场强度仿真结果，可以看到，在铜层、陶瓷层和密封层的交界面出现了电场集中点，这是由于三者介电常数差异造成电场分布不均导致的，且三重点出现在介电强度较低的密封层以及易形成空洞的铜层边缘，易产生局部放电现象。图4为本实用新型的覆铜陶瓷板的电场强度仿真结果，引入凹槽后上铜层边缘的电场强度降低了16%，且改进后电场强度较高的铜层边缘不易形成空洞，空洞趋于向凹槽底部集中，而下铜层的电场集中点由于形成倒角大大减弱，原先的三重点也由密封层转移至介电强度更高的陶瓷层。上述措施提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能，能承受比原先更高的绝缘电压，相比现有的覆铜陶瓷板更适用于碳化硅等高压功率模块场合。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，包括从上到下依次连接的上铜层（6）、中间陶瓷层（5）和下铜层（4），其特征在于：在所述上铜层（6）周围的中间陶瓷层（5）上部开设凹槽，所述下铜层（4）整体嵌入中间陶瓷层（5）下部。

2.按照权利要求1所述的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，其特征在于：所述下铜层（4）倒角后嵌入中间陶瓷层（5）下部。

3.按照权利要求2所述的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，其特征在于：所述下铜层（4）厚度为0.1mm，其倒角为0.1mm；所述上铜层厚度为0.3mm。

4.按照权利要求1所述的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，其特征在于：所述中间陶瓷层（5）的厚度为1mm，中间陶瓷层（5）上部的凹槽深度为0.3mm，凹槽宽度为0.5mm 。

5.按照权利要求1所述的一种适用于高压功率模块的覆铜陶瓷板，其特征在于：所述中间陶瓷层（5）的材料为氮化铝。

Images