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CN112071807B - 一种使高压大功率igbt封装结构中电场分布均匀的方法 - Google Patents

一种使高压大功率igbt封装结构中电场分布均匀的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法，在IGBT封装结构中的直接覆铜陶瓷基板边沿涂抹一层绝缘涂层，所述绝缘涂层为场控材料试样；所述场控材料试样填充至IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线上；三种区域界面包括直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域侧面、陶瓷区域上表面与封装硅凝胶材料区域表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域侧面、陶瓷区域下表面与封装硅凝胶材料区域表面；场控材料试样覆盖直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域侧面与陶瓷区域上表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域侧面与陶瓷区域下表面；通过场控材料试样本身的特性将IGBT封装结构中的最高电场强度降至击穿电场强度以下，实现了高场高温工作条件下的有效绝缘。

Description

一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法
【技术领域】
本发明属于IGBT封装结构改进技术领域，尤其涉及一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法。
【背景技术】
近年来，随着各行业电气化程度的提高，电力电子设备越来越多地应用于工业、商业、军事乃至医疗领域。快速增加的需求与日益复杂的运行环境促使新一代电力电子设备朝着更高电压与更高工作温度的方向发展。然而，在电力电子设备中长期应用的硅基半导体材料已经逐渐无法满足市场的应用需求，而宽禁带半导体材料在性能上比硅材料有很大优势。尽管如此，芯片必须封装之后才能使用，而目前传统的器件封装技术都是为硅基器件设计的，将其应用于宽禁带半导体器件时，绝缘性能方面面临的巨大挑战在很大程度上限制了碳化硅基器件的应用。原因在于一方面更高阻断电压带来更高的电场。
IGBT阻断电压的增加，大大增加了封装结构中的局部电场，从而引起局部放电。另一方面更高温度导致材料绝缘性能的降低。封装硅凝胶材料介电属性在高温下会有所变化，使得更高温度下封装结构绝缘失效的风险更高。
其中，位于直接覆铜陶瓷基板的金属区域、陶瓷区域以及封装硅凝胶材料区域构成的公共边界三结合线上的电场强度最大，可能发生的局部放电便最先从此处开始，沿陶瓷边沿向外延伸，使得封装材料降解老化，导致绝缘失效。
因此，亟需从解决三结合线高电场强度问题入手，改进现有的封装结构，以提升绝缘性能。当前，国际上正逐步开展相关研究，已有的改进方案可概括为封装结构的调整和绝缘材料的改性。其中，前者既包括设计突出结构、堆叠结构与台面结构，也包括调整散热陶瓷基板和导电金属层的厚度、边缘曲率以及偏移度。这类方案虽然改善了结构内部的电场分布，但一方面结构的变化难以保证有效散热，另一方面也违背了IGBT模块小型化发展的趋势。
对于绝缘材料的改性，介电性能的场控特性是研究的焦点。无论是对封装材料与陶瓷进行改性、替换还是添加复合材料涂层，研究人员都试图借助复合材料的场控特性来实现封装结构中电场分布的均匀化。这种方案虽然缓解了高阻断电压下的绝缘隐患，但都没有考虑高温下的绝缘失效问题。
因此，改进封装结构的方法必须在不影响模块散热与体积大小的前提下，同时兼顾高场与高温并存的工作环境，以做到真正实现封装结构的有效绝缘。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有的IGBT模块封装结构中，在高场高温工作条件下保证封装结构有效绝缘的问题，提供一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法，在IGBT封装结构中的直接覆铜陶瓷基板边沿涂抹一层绝缘涂层，所述绝缘涂层为场控材料试样。
所述场控材料试样填充至IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线上。
所述三种区域界面包括直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域侧面、陶瓷区域上表面与封装硅凝胶材料区域表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域侧面、陶瓷区域下表面与封装硅凝胶材料区域表面。
所述场控材料试样覆盖直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域侧面与陶瓷区域上表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域侧面与陶瓷区域下表面。
本发明进一步的改进在于，所述场控材料试样是指电导率受电场与温度场控制的材料。
进一步：所述场控材料试样为碳化硅微粒或者氧化锌微粒填充进环氧树脂或者聚酰亚胺后所组成的复合材料。
进一步：所述场控材料试样在直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域侧面的覆盖高度范围为0～50μm。
进一步：所述场控材料试样在直接覆铜陶瓷基板的陶瓷区域上表面的覆盖宽度范围为0～50μm。
进一步：所述场控材料试样在直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域侧面的覆盖高度范围为0～50μm。
进一步：所述场控材料试样在直接覆铜陶瓷基板的陶瓷区域下表面的覆盖宽度范围为0～50μm。
进一步：所述场控材料试样涂抹后的横截面呈三角形。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
将场控材料试样作为涂层应用到高压大功率IGBT的封装结构当中，场控材料试样填充至IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线上。在既没有改变高压大功率IGBT封装结构体积大小也没有影响模块散热的前提下，通过场控材料试样本身的特性将IGBT封装结构中的最高电场强度降至击穿电场强度以下，实现了高场高温工作条件下的有效绝缘，解决了传统封装技术在高压大功率工况下的绝缘失效问题。
进一步：场控材料试样涂抹后的横截面呈三角形，一方面使得三种区域界面的公共边界线上几何结构的尖锐程度明显下降，从而使得电场畸变程度显著衰减，绝缘失效风险大大降低；另一方面场控材料试样电导率的复合场控制特性意味着高场高温下的导电性更强，电场分布更加均匀，局部放电发生的概率更低，从而大幅提升高压大功率环境下IGBT封装结构的绝缘性能，保证高场高温环境下封装结构的有效绝缘。
【附图说明】
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的高压大功率IGBT封装结构二维结构整体示意图；
图3为本发明在高压大功率IGBT封装结构中应用前，三种区域界面的公共边界线附近放大示意图；
图4为本发明在高压大功率IGBT封装结构中应用后，三种区域界面的公共边界线附近放大示意图；
图5为本发明方法应用前的电场线与电场强度分布图；
图6为本发明方法应用后的电场线与电场强度分布图；
图7为本发明方法应用后，三种区域界面的公共边界线上最高电场强度在不同阻断电压与功率损耗工况下的优化效果图。
其中：1、封装硅凝胶材料；2、直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域；3、直接覆铜陶瓷基板的陶瓷区域；4、直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域；5、三种区域界面的公共边界线；6、场控材料试样。
【具体实施方式】
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
参见图1，一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法，具体包括以下步骤：
S1：制备填料微粒与被填充绝缘材料体积比为1％～15％的若干份场控材料试样6。
S2：选定S1中体积比为1％的场控材料试样6，并使用稀释剂对1％的场控材料试样6进行稀释，稀释体积比例为1％～20％。
S3：利用点胶的技术将稀释后的场控材料试样6涂抹在IGBT封装结构中直接覆铜陶瓷基板的边沿上。
场控材料试样6填充至IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线5上。
三种区域界面包括直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2侧面、陶瓷区域3上表面与封装硅凝胶材料1区域表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域4侧面、陶瓷区域2下表面与封装硅凝胶材料1区域表面。
实施例中的场控材料试样6覆盖上部金属区域2侧面与陶瓷区域3表面。
实施例中的场控材料试样6在上部金属区域2侧面的覆盖高度为50μm。
实施例中的场控材料试样6在陶瓷区域2表面的覆盖宽度为50μm。
场控材料试样6涂抹后的横截面呈三角形。
S4：将涂抹了场控材料试样6后的IGBT封装结构置于不同工况下进行测试。
S5：工况设置指IGBT芯片阻断电压与功率损耗：3kV、6.5kV、10kV与55W、70W、85W、100W、120W的任意组合。
在预置上述15种工况后，对当前的改进IGBT封装结构进行测试并比较三种区域界面的公共边界线5上的最高电场强度与封装硅凝胶材料1击穿电场强度的大小：若最高电场强度高于击穿电场强度则转至S1，更改场控材料试样6的稀释体积比并重新稀释涂抹。
若最高电场强度低于击穿电场强度则调整工况继续进行测试，直到所有工况都测试完毕为止。
S6：通过所有工况测试的IGBT封装结构为满足发明目的的改进IGBT封装结构。
其中，场控材料试样6是指电导率受电场与温度场控制的材料，材料具体的场控特性表现为在低场<107V/m与低温<350K的环境下，材料电导率为10-13S/m。
在高场108V/m与高温400K～450K的环境下，材料电导率为10-7S/m。
场控材料试样6为碳化硅或者氧化锌微粒填充进环氧树脂或者聚酰亚胺后所组成的复合材料。
稀释剂为活性稀释剂，优选缩水甘油醚或者碳酸乙烯酯或者碳酸丙烯酯或者苯甲醇或者苯乙烯，不限于以上活性稀释剂。
参照图2，传统的大功率IGBT封装结构包括封装硅凝胶材料1、直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2、陶瓷区域3以及下部金属区域4。
参照图3，本发明在高压大功率IGBT封装结构中应用前，封装结构包括封装硅凝胶材料1、直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2、陶瓷区域3、下部金属区域4以及三种区域界面的公共边界线5，明确出了三种区域界面的公共边界线5的具体位置。
三种区域界面的公共边界线5位置包括上述三种区域界面共同构成的任意一条公共边界线、任意两条相对的公共边界线、任意两条相邻的公共边界线、环绕一周的公共边界线。实施例中的公共边界线5示出的是直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2侧面、陶瓷区域3上表面与封装硅凝胶材料1区域表面的公共边界线，未示出直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域4侧面、陶瓷区域2下表面与封装硅凝胶材料1区域表面的公共边界线。
三种区域界面包括直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2侧面、陶瓷区域3上表面与封装材料1区域表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域4侧面、陶瓷区域3下表面与封装材料1区域表面。
参照图4，本发明在高压大功率IGBT封装结构中应用后，大功率IGBT封装结构包括封装材料1、直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域2、陶瓷区域3、下部金属区域4以及涂层区域6。
说明本发明方法在传统高压大功率IGBT封装结构内的改进机理。
本发明应用场控材料试样6作涂层来提升高压大功率IGBT封装结构绝缘性能的方法对IGBT封装结构的改进之处体现在三种区域界面的公共边界线5上几何结构的改善和涂层覆盖区域材料电导率的场控特性。
场控材料试样6涂抹后的横截面呈三角形，使得三种区域界面的公共边界线5上几何结构的尖锐程度明显下降，从而使得电场畸变程度显著衰减，绝缘失效风险大大降低。
场控材料试样6电导率的场控特性意味着高场高温下的导电性更强，电场分布更加均匀，局部放电发生的概率更低，从而大幅提升高压大功率环境下IGBT封装结构的绝缘性能，保证高场高温环境下封装结构的有效绝缘。
参照图5，本发明应用前，位于三种区域界面的公共边界线5上的最高电场强度超过20kV/mm，且此处的高场强向外辐射，形成了高电场区域。
参照图6，本发明应用后，位于三种区域界面的公共边界线5上的最高电场强度降至10kV/mm以下，且整个高电场区域的电场强度都处于低值水平。
对比图5和图6，IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线5上的最高电场强度与高场区域的畸变程度都有明显地衰减与改善，并且陶瓷区域4的高电场强度也不再出现。
这说明本发明方法能明显优化IGBT封装结构中高电场区域尤其是三种区域界面的公共边界线5附近的电场分布。
这是因为IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线5上的高电场强度本质上是由边缘过于尖锐所导致，在结构改进即涂层应用后，此处的几何结构得到优化，再加上场控材料试样6电导率在高场高温环境下对电场的调控，最终实现电场分布的优化。
通过图5和图6对比本发明应用前后的电场分布，可知该方法对IGBT封装结构中的电场分布有显著的优化效果。
而具体的优化程度与功率损耗和阻断电压有关，如图7所示：所有的优化程度都为正值，这说明本方法应用之后各工况下的电场都得到了优化，只是在程度上的表现有所不同。
同一功耗下的电场优化程度由阻断电压决定：3kV阻断电压下各功耗的平均电场优化程度约为42.6％，而相同条件下6.5kV的优化程度比3kV高出10个百分点以上，平均优化程度为55.4％。
这说明电场优化程度与阻断电压成正相关关系。当阻断电压达到10kV时，涂层应用前后最高电场的平均下降幅度达61.8％，可见高阻断电压下的电场优化效果更加显著。
不同功耗下的电场优化程度也有显著差异：当阻断电压固定为10kV时，不同功耗下的电场优化程度分别为47％(55W)、55％(70W)、64％(85W)、70％(100W)和73％(120W)，且3kV和6.5kV的变化趋势与10kV相同。
这说明电场优化程度随着功耗的增加而增加。进一步分析可知，55W下的平均电场优化程度为35.67％，而120W时该值增加了30个百分点，达到66.7％。由此可知功耗对电场的优化作用明显。
参照图7，结果表明本方法在更大电场与更高温度工作条件下的应用效果更好，这意味着更高电压与更大功率IGBT绝缘失效的风险更低。
本发明创新性地提出将场控材料试样6作为涂层应用到高压大功率IGBT的封装结构当中，在既没有改变高压大功率IGBT封装结构体积大小也没有影响模块散热的前提下，将IGBT封装结构中的最高电场强度降至击穿电场强度以下，实现了高场高温工作条件下的有效绝缘，解决了传统封装技术在高压大功率工况下的绝缘失效问题。
本发明显著降低了高压大功率工况下IGBT封装结构三结合线上的最高电场强度，明显改善了高电场区域的电场畸变程度，大幅优化了电场分布，降低了绝缘失效的风险，提升了IGBT封装结构在高场高温环境下的绝缘性能，解除了封装技术对高压大功率IGBT模块应用的限制，推进了高压大功率IGBT模块的商业化进程。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法，其特征在于，在IGBT封装结构中的直接覆铜陶瓷基板边沿涂抹一层绝缘涂层，所述绝缘涂层为场控材料试样（6），所述场控材料试样（6）为体积比为1%~15%的填料微粒与被填充绝缘材料；
所述场控材料试样（6）填充至IGBT封装结构中三种区域界面的公共边界线（5）上；
所述三种区域界面包括直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域（2）侧面、陶瓷区域（3）上表面与封装硅凝胶材料（1）区域表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域（4）侧面、陶瓷区域（3）下表面与封装硅凝胶材料（1）区域表面；
所述场控材料试样（6）覆盖直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域（2）侧面与陶瓷区域（3）上表面和直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域（4）侧面与陶瓷区域（3）下表面；
所述场控材料试样（6）在直接覆铜陶瓷基板的上部金属区域（2）侧面的覆盖高度范围为0~50μm；
所述场控材料试样（6）在直接覆铜陶瓷基板的下部金属区域（4）侧面的覆盖高度范围为0~50μm；
所述场控材料试样（6）在直接覆铜陶瓷基板的陶瓷区域（3）上表面的覆盖宽度范围为0~50μm；
所述场控材料试样（6）在直接覆铜陶瓷基板的陶瓷区域（3）下表面的覆盖宽度范围为0~50μm；
所述场控材料试样（6）涂抹后的横截面呈三角形；
所述场控材料试样（6）为碳化硅微粒或者氧化锌微粒填充进环氧树脂或者聚酰亚胺后所组成的复合材料；所述复合材料的电导率受电场与温度场控制；
所述场控材料试样（6）使用稀释剂对体积比为1％的场控材料试样（6）进行稀释，稀释体积比例为1％～20％；稀释剂为活性稀释剂。
2.根据权利要求1所述的一种使高压大功率IGBT封装结构中电场分布均匀的方法，其特征在于，所述稀释剂为缩水甘油醚或者碳酸乙烯酯或者碳酸丙烯酯或者苯甲醇或者苯乙烯。
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