CN212851213U - 一种高压碳化硅功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及功率模块技术领域，特别是一种高压碳化硅功率模块，包括基板、芯片、外壳和端子，所述端子焊接在覆铜陶瓷板上，所述端子贯穿芯片上方外壳内的灌封胶并延伸至空气，所述端子采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳盖板的PCB板，所述PCB板内部的中间导电层通过过孔与端子电连接。采用上述结构后，本实用新型顶部PCB板的设置使模块在端子间距较小的前提下，保证了端子之间足够的爬电距离，解决了碳化硅功率模块高功率密度的特点和爬电距离、电气间隙之间的矛盾。

Description

一种高压碳化硅功率模块

技术领域

本实用新型涉及功率模块技术领域，特别是一种高压碳化硅功率模块。

背景技术

功率模块是现代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。在保证半导体芯片电气性能的同时实现整体可靠散热、机械支撑以及电气绝缘的模块即为功率模块。如今，随着功率半导体芯片的性能不断提高，乃至出现了第三代宽禁带半导体，功率模块的封装却停留在以往传统的模式，成为了制约其发展的主要因素之一，下面以电气绝缘性能为例阐述现有功率模块在封装上的缺陷。

碳化硅器件在高压应用领域得到越来越多的关注，功率模块的封装限制了其在更高的电压等级上的应用。一方面，随着功率半导体电压等级的提高，传统功率模块内部的电场集中现象容易导致局部放电或者打火现象发生，特别当内部存在空气时，由于空气的击穿强度为3kV/mm，空气的区域一旦具有更高的电场强度就会产生放电现象。

另一方面，高电压电气间隙和爬电距离的要求往往使得模块体积被迫增大，而使用了碳化硅器件的高压功率模块体积将大大减小，例如6.5kV/25A Si IGBT模块体积为14×7×4.5cm，而15kV/10A SiC MOSFET的体积仅为8×4×1.3cm，这是由于碳化硅材料本身优异的介电击穿性能，使其芯片的体积本身远小于硅芯片的体积，从而减小了功率模块内部DBC的面积。其次，碳化硅器件开关速度远高于硅器件，而碳化硅模块的性能对寄生参数更为敏感，较小的体积也意味着更小的寄生电感，在提升功率密度的同时减小了模块的寄生效应。然而，高功率密度意味着功率模块外部端子之间距离减小，在较高的工作电压下，功率模块端子与端子之间、端子与基板之间可能在绝缘材料表面发生爬电现象或者在空气中发生击穿现象，严重影响模块长期工作的可靠性，例如电气设备对安全距离的要求中规定，额定冲击电压峰值为12kV的设备最小电气间隙为14mm，对于额定工作电压为10kV，材料组别为IIIa,b且污染等级为2级的设备最短爬电距离为100mm，其中电气间隙为两相邻导体沿空气测量的最短距离，而爬电距离为两个导体沿绝缘表面测量的最短路径。可以看到，由于高压功率模块外部端子需要满足较大的绝缘距离，该标准与高功率密度的特点相互矛盾。

因此，需要针对高压碳化硅芯片提出一种新型的功率模块，在满足高功率密度特点的同时达到安全距离的标准。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种可以解决高压功率模块高功率密度与外部端子绝缘距离之间矛盾的高压碳化硅功率模块。

为解决上述的技术问题，本实用新型的一种高压碳化硅功率模块，包括基板、芯片、外壳和端子，所述端子焊接在覆铜陶瓷板上，所述端子贯穿芯片上方外壳内的灌封胶并延伸至空气，所述端子采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳盖板的PCB板，所述PCB板内部的中间导电层通过过孔与端子电连接。

优选的，所述PCB板为多层线路板，包括：

用于焊接焊接功率半导体控制模块及辅助电路的上层导电层；

用于实现电场调制的中间导电层；

通过过孔与中间导电层连接，并与端子连接的下层导电层；

各层导电层之间均通过过孔实现连接。

优选的，所述覆铜陶瓷板包括铜层和陶瓷，所述铜层包括上铜层和下铜层，所述陶瓷设置在上铜层、下铜层之间，所述下铜层固定在基板上；所述上铜层焊有芯片，并通过键合线连接在一起。

优选的，所述陶瓷采用高介电强度、高导热率的氮化铝材料。

优选的，所述外壳采用聚苯硫醚切削而成。

优选的，所述基板材料可以采用铜、镀镍铜或镀锌铜中的一种。

优选的，所述灌封胶采用低粘度、高介电强度的硅凝胶。

采用上述结构后，本实用新型顶部PCB板的设置使模块在端子间距较小的前提下，保证了端子之间足够的爬电距离，解决了碳化硅功率模块高功率密度的特点和爬电距离、电气间隙之间的矛盾；PCB内部的导电层具有电场调制效应，避免端子之间由于电场强度高于空气击穿强度而产生局部放电现象；PCB板上方引入半导体驱动等控制部分或直流电容等电路可以极大程度减小功率半导体的寄生参数，符合碳化硅功率半导体对功率模块封装提出的低寄生效应要求。

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为本实用新型一种高压碳化硅功率模块的剖视结构示意图。

图2为本实用新型一种高压碳化硅功率模块的三维结构示意图。

图3为不带电场调制的功率模块电场分布示意图。

图4为本实用新型功率模块电场分布示意图。

图中：1为基板，2为陶瓷，3为铜层，4为芯片，5为键合线，6为灌封胶，7为外壳，8为端子，9为PCB板，10为中间导电层，11为过孔，12为空气。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型的一种高压碳化硅功率模块，包括基板1、芯片4、外壳7和端子8。本专利申请所讲的功率模块可以是MOSFET模块、IGBT模块或者二极管模块。所述端子8焊接在覆铜陶瓷板上，所述覆铜陶瓷板包括上铜层、下铜层和陶瓷2，上、下铜层合为铜层3，所述陶瓷2设置在上铜层、下铜层之间，所述下铜层固定在基板1上；所述上铜层焊有芯片4，并通过键合线5连接在一起。芯片4上方外壳内部的空间通过灌封胶6进行填充。所述端子8贯穿芯片4上方外壳7内的灌封胶6并延伸至空气12，所述端子8采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳7盖板的PCB板9，所述PCB板9内部的中间导电层10通过过孔11与端子8电连接。

本专利申请中通过水平弯折的端子取代传统的竖直端子，并将PCB板9置于端子8上方阻断端子8之间沿空气爬电的直线距离。优化后的爬电距离不再是端子竖直部分之间的最短距离，而是水平部分伸出外壳之后沿PCB板9边缘的最短距离。

另外，所述PCB板9为多层线路板，包括：用于焊接焊接功率半导体控制模块及辅助电路的上层导电层；用于实现电场调制的中间导电层10；通过过孔11与中间导电层10连接，并与端子8连接的下层导电层；各层导电层之间均通过过孔实现连接。本申请在PCB板9内部也做了优化，图3的功率模块电场分布图可以看到，由于端子8间距较小，在弯折部分产生了较强的电场集中现象，且电场强度大于空气的击穿强度。弯折的部分是灌封胶6无法覆盖到的，裸露在空气中，因此工作过程中将产生局部放电现象。为了解决该问题，在PCB板9中嵌入了中间导电层10进行电场调制，并通过过孔11与外部端子连接。从图4优化后的电场分布图可以看到，中间导电层10的引入使电场集中点转移到了导电层边缘，该区域位于具有更高击穿强度的PCB板内部（20 kV/mm），同时端子8弯折位置周围的电场得到大幅度的削弱。综上，优化后的模块更不容易发生局部放电现象。同时，PCB板9上表面可以设置铜走线，并通过过孔与端子8连接，将半导体器件的驱动部分、保护部分或直流电容采用贴片焊接在上表面可以减小功率模块的寄生参数，进而减小由于寄生参数带来的电压过冲等寄生效应。

所述外壳7采用聚苯硫醚（PPS）切削而成；所述基板1材料可以是铜、镀镍铜或者镀锌铜；所述功率模块选用功率端子时在弯折处应选择较薄、韧性高的金属材料，防止弯折过程中损坏焊接点，为增加可焊性和防腐蚀性，在表面镀锌或者镀镍；所述覆铜陶瓷板采用高介电强度、高导热率的氮化铝材料；所述灌封胶选择低粘度，高介电强度的硅凝胶。

本实用新型高压碳化硅功率模块的制作过程如下：在超净间进行，将芯片4贴装在覆铜陶瓷板的上铜层上后，采用高温焊料在真空回流焊炉内完成第一次焊接，然后使用超声波键合机将芯片4与覆铜陶瓷板上铜层通过键合线5连接。接着使用石墨夹具固定外部端子8，采用低温焊料在真空回流焊炉内完成端子8和基板1的焊接。通过高温粘胶将基板1和壳体7连接起来之后，往壳体空腔内浇注灌封胶6，特别地，灌封胶6的高度应高于外壳7内部的空腔，高度保持在端子8的通孔间，否则过低的灌封胶高度将会导致端子在空腔内部产生爬电；在进行真空脱泡处理之后放置在烘箱内快速固化。最后将功率端子弯折至水平，并采用导电银胶将PCB板下层导电层与端子8连接。

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 (7)

1.一种高压碳化硅功率模块，包括基板（1）、芯片（4）、外壳（7）和端子（8），所述端子（8）焊接在覆铜陶瓷板上，所述端子（8）贯穿芯片（4）上方外壳（7）内的灌封胶（6）并延伸至空气（12），其特征在于：所述端子（8）采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳（7）盖板的PCB板（9），所述PCB板（9）内部的中间导电层（10）通过过孔（11）与端子（8）电连接。

2.按照权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于，所述PCB板（9）为多层线路板，包括：

用于焊接焊接功率半导体控制模块及辅助电路的上层导电层；

用于实现电场调制的中间导电层（10）；

通过过孔（11）与中间导电层（10）连接，并与端子（8）连接的下层导电层；

各层导电层之间均通过过孔实现连接。

3.按照权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于：所述覆铜陶瓷板包括铜层（3）和陶瓷（2），所述铜层（3）包括上铜层和下铜层，所述陶瓷（2）设置在上铜层、下铜层之间，所述下铜层固定在基板（1）上；所述上铜层焊有芯片（4），并通过键合线（5）连接在一起。

4.按照权利要求3所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于：所述陶瓷（2）采用高介电强度、高导热率的氮化铝材料。

5.按照权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于：所述外壳（7）采用聚苯硫醚切削而成。

6.按照权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于：所述基板（1）材料可以采用铜、镀镍铜或镀锌铜中的一种。

7.按照权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块，其特征在于：所述灌封胶（6）采用低粘度、高介电强度的硅凝胶。

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