用于大功率模塊升壓臺面結(jié)構(gòu)中的金屬化陶瓷基板

隨著可用的寬帶隙半導(dǎo)體不斷在提高其工作電壓，其封裝中使用的電絕緣受到了越來越多的限制。在更準(zhǔn)確地來說，用于要求苛刻的應(yīng)用的陶瓷基板代表了一個關(guān)鍵的多功能元件，它負(fù)責(zé)將半導(dǎo)體芯片與電力系統(tǒng)的其余部分互連的金屬軌道的機(jī)械支撐，以及電絕緣和熱傳導(dǎo)。

其實在這種復(fù)雜的組件中，陶瓷、金屬軌道邊界和絕緣環(huán)境之間的三重結(jié)處的電場增強(qiáng)通常是一個關(guān)鍵點。當(dāng)三個相點處的電場超過絕緣系統(tǒng)允許的臨界值時，這會妨礙設(shè)備性能并限制未來系統(tǒng)的額定電壓。這是提出的解決方案是基于陶瓷基板的形狀修改，通過創(chuàng)建一個臺面結(jié)構(gòu)平臺來保持組件中的金屬軌道。數(shù)值模擬方法用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在通過超聲波加工細(xì)化結(jié)構(gòu)后，我們觀察到與傳統(tǒng)的金屬化陶瓷基板相比，在10pc靈敏度下，在具有臺面結(jié)構(gòu)的基板中，局部放電檢測電壓顯著增加（30%）。

由于寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體顯著引入電力電子系統(tǒng)，電力電子正處于重要發(fā)展的曙光。事實上，基于碳化硅（SiC）的技術(shù)發(fā)展允許開發(fā)能夠承受高于當(dāng)前額定電壓（對于硅器件）以及潛在更高開發(fā)頻率的芯片。非常高電壓演示器的可用性（例如雙極二極管和晶體管），為電力電子領(lǐng)域的重大發(fā)展開辟了道路，但同時強(qiáng)調(diào)了在這場向可行的最高電壓SiC器件和功率模塊的競賽中開發(fā)新封裝策略的必要性。在當(dāng)前的封裝策略中，增加電壓幾乎直接要求絕緣材料具有更高的介電強(qiáng)度。如果施加的約束繼續(xù)增加，就會達(dá)到內(nèi)在的物理極限。

6.5KV硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT模塊）的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，模塊封裝的三個主要功能是保護(hù)和隔離芯片與環(huán)境，疏散芯片散發(fā)的熱量，最后提供芯片和電源端子之間的電氣連接。在模塊內(nèi)部，半導(dǎo)體芯片被釬焊到金屬化陶瓷基板上，該基板必須既是優(yōu)良的熱導(dǎo)體又是電絕緣體，最常用的陶瓷材料有氧化鋁（AI2O3）、氮化硅（SI3N4）和氮化鋁（AIN）。

金屬化通常由厚銅層進(jìn)行，該銅層通過共晶鍵合工藝（直接鍵合銅、DBC）或活性金屬釬焊工藝（AMB）與氧化物連接。然后將陶瓷基板固定在基板（例如AISiC）上，這確保了組件的機(jī)械完整性以及向冷源的熱傳遞。整個組裝模塊通常浸沒在封裝材料中，通常是硅膠，以沿基板表面和模塊受強(qiáng)電場影響的其他部分之間提供介電保護(hù)。環(huán)氧樹脂可用于機(jī)械加固結(jié)構(gòu)，尤其是連接處芯片正面的連接由鍵合線、絲帶或引腳，以電連接各種芯片和軌道。

以上描述的目的是為集成未來的超高壓組件提出一種原創(chuàng)解決方案，我們將15KV的設(shè)備作為我們研究的基礎(chǔ)，以匹配當(dāng)前處于開發(fā)階段的組件，該研究側(cè)重于特別關(guān)鍵的區(qū)域，稱為三點區(qū)域，位于絕緣基板、金屬軌道和封裝的交叉點，如圖1所示.該區(qū)域是電場增強(qiáng)的位置，在額定電壓增加的情況下會特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的絕緣。為了確保未來更高電壓系統(tǒng)的可靠性，有必要集中研究減少封裝內(nèi)部高電應(yīng)力影響的方法，同時又不會（過多）影響散熱、高頻工作等方面的性能。

審核編輯：湯梓紅