[發(fā)明專利]一種IGBT模塊結(jié)構(gòu)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310648950.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN103633035A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹琳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安永電電氣有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01L23/13
• 分類號(hào): H01L23/13;H01L23/60
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 唐靈;常亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子電路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是一種能夠提高局部放電率的IGBT模塊結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

目前IGBT模塊容量已經(jīng)達(dá)到2000A/6500V，滿足電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用要求。然而，隨著IGBT功率模塊電壓等級(jí)升高，絕緣系統(tǒng)承受的電場越來越強(qiáng)，人們對(duì)電力電子器件運(yùn)行可靠性提出更加苛刻的要求。局部放電檢測(cè)作為一種非破壞性試驗(yàn)，越來越得到IGBT模塊生產(chǎn)廠家重視。目前，國際上IGBT模塊局部放電通常根據(jù)GB/T7305-2003/IEC60270:2000標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中將局部放電視在電荷限制在10pC，保證模塊能安全工作且有足夠長的使用壽命。未通過測(cè)試的模塊降級(jí)使用或報(bào)廢，大大降低了生產(chǎn)效率。

IGBT模塊中，AlN陶瓷及敷銅板接觸邊緣曲率半徑較小，電場集中，是IGBT模塊的薄弱部位。同時(shí)，AlN陶瓷上敷銅板通常通過腐蝕形成，腐蝕過程中容易造成金屬邊緣不均勻，電場進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。雖然模塊局部放電一般不會(huì)引起絕緣部分的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致硅凝膠的局部損壞，為模塊的正常使用造成隱患。2005年，瑞士ABB公司J.H.Fabian等人在其發(fā)表的文章《Analysis?of?Insulation?Failure?Modes?in?High?Power?IGBT?Modules》中通過數(shù)值模擬的方法確定IGBT模塊電場極大值位于DCB板上敷銅層、AlN陶瓷及硅凝膠交界處。2010年，Ning-yan?Wang等人通過實(shí)驗(yàn)法觀察到放電位置發(fā)生在模塊電場極大值處。2013年，J.-L.Augé等人在其發(fā)表的文章《Partial?Discharges?in?Ceramic?Substrates?Embedded?in?Liquids?and?Gels》中明確指出敷銅層、AlN陶瓷及硅凝膠交界處放電是導(dǎo)致IGBT模塊局部放電測(cè)試不通過的主要原因。

通常，改善IGBT模塊局部放電性能有兩個(gè)方面，一方面使用新的絕緣材料，提高其承受電場的能力；另一方面通過仿真計(jì)算或測(cè)量，判斷發(fā)生局部放電的位置，通過改變結(jié)構(gòu)及優(yōu)化工藝來降低電場強(qiáng)度，避免局部放電的發(fā)生。

美國專利US6201696B1中通過在AlN陶瓷及敷銅層邊界覆蓋電絕緣聚酯（Polyester）或環(huán)氧樹脂來提高局部放電能力。瑞士ABB公司也申請(qǐng)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00480009083.5）在敷銅層及AlN陶瓷邊界覆蓋低粘度單體或低聚體（oligomer）聚酰亞胺（polyimide）來減小局部放電的發(fā)生。

然而現(xiàn)有的這些改善方法卻依舊存在如下的缺點(diǎn)：

(1)由于AlN陶瓷和敷銅層表面比較粗糙，覆蓋電絕緣聚酯或環(huán)氧樹脂時(shí)，關(guān)鍵位置粘附性不好且空氣容易殘留在AlN陶瓷和敷銅層邊界處，進(jìn)一步導(dǎo)致局部放電的發(fā)生；

(2)聚酰亞胺前體使用量及粘度要足夠低以保證其能覆蓋陶瓷襯底和敷銅層拐角處，同時(shí)聚酰亞胺前體需要加入硅氧烷基（Siloxanebased）類粘附劑促進(jìn)劑，改善金屬和陶瓷之間粘附能力。覆蓋完聚酰亞胺前體后需要進(jìn)行1個(gè)小時(shí)200-350℃的固化，聚酰亞胺前體中的單體和/低聚體聚合形成聚酰亞胺。工藝較為復(fù)雜且可控性較差；

(3)該方法可以降低局部放電的發(fā)生，但并沒有降低電場極大值處電場強(qiáng)度，根本問題沒有得到解決。

因此，如何降低電場極大值處電場強(qiáng)度是提高IGBT模塊絕緣性能、降低局部放電視在電荷的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種新的IGBT模塊結(jié)構(gòu)，通過對(duì)IGBT模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低芯片的極大值電場強(qiáng)度，避免局部放電的發(fā)生。

根絕本發(fā)明的目的提出一種IGBT模塊結(jié)構(gòu)，包括AlSiC基板，位于該AlSiC基板上的敷銅層，位于該敷銅層上的AlN絕緣陶瓷層，位于該AlN絕緣陶瓷層上的金屬焊墊，以及位于該金屬焊墊上的芯片，所述AlN絕緣陶瓷層和AlSiC基板之間設(shè)有空腔，所述空腔位于芯片的下方。

優(yōu)選的，所述空腔的頂部被所述AlN絕緣陶瓷層覆蓋，所述空腔的底部位于部分AlSiC基板中。