15_kV超高压SiC功率模块封装研究_郝凤斌.pdf

第卷第期电力电子技术，年月超高压功率模块封装研究郝凤斌李士颜杨阳二，高俊开，（宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室，江苏南京；扬州国扬电子有限公司，江苏扬州）摘要：高压碳化硅（）功率 模 块主要应用于功率逆变器和断路器等方面，可有效减小系统体积、提 升系统 功率 效率。及以上器件在多个实验室研发成功，但针对高压大电流的模块封装仍然停留在等级，随着电压等级的升高，模块内部电气 绝缘和局部放电引起的问题也越发突出。针对高压封装内部局部放电现象进行研宄，通 过实验对比探宄了陶瓷的 电气距离、灌封材料、涂敷 材料对局部 放电的影响，并在实验基 础上研 制出一款高压功 率模 块，绝缘耐压达到以上。关键词：逆变器；碳化硅；功率 模块；绝缘耐压中图分 类号：文 献标识码：文章编号：（），（，）：（），？，？，？，？，：；：（）引言相对于传 统的硅（）基半导体材料，以其优 异的材料特性（宽禁 带宽度、高临界击穿场强、高饱和载流子迁移率），使得电力电子器件具有更髙的工作电压、温度，更低的导通电阻 等器件优势，被认为是下一代高压功率器件的理想材料。高压功率器件主要应用 于 功率逆变器和断路器等方面，其可有效减小 系统的体积和提升系 统工作 效率。在过去的研究中，功率器件特别在导通性能和 阻 断电压方面的性能得到巨大的提升。虽多个单位己成功在实验室研发出的以及的基金项目：江苏 省重点研发 计划（）定 稿日期：作者简介：郝凤斌（），男，高级工程师，研究 方 向 为功率模块封装设计、仿真。芯片然而受封装技术研发的限 制，现有的高压功率模块生产商可提供的或功率模块产品的工作电压和工作温度远未达到宽禁带半导体材料的极限参 数，封装技术的不足严重阻碍高压功率模块市场应用的速度。与封装相 关的失 效形式主要包括冷热循环造成的焊料层开裂、基板金属层与 陶瓷层开 裂以及局部放电发展所造 成的绝缘击穿等与封装 相关的失 效在功率 模 块 所 有的失 效形式中占据很大的比例，尤其是高压模块。此处重点对高压功率模块的封装结构与绝缘材料、局部放电失 效机理进行分析与梳理，通过多组实验，探宄提升高压模块的耐压能 力的方法，研制出一款高压模块，绝缘耐压等级达到。高压模块局部 放电研究局部放电是绝缘 介质中 的一种气体放电，足 样品编号图组样品耐击穿 电压能力 组样品（）分别在，发生击穿失效；组样品（）分别在，发生击穿失效；组样品（）分别在，发生击穿失效，组样品（）分 别在，发生击穿失效，同组的样品具有相对的一致性。由失效样品可以看出，组样品的耐压击穿均发 生在陶瓷上表面，从陶 瓷上层铜层边缘与陶瓷、硅胶三相 交 界的位置开始，沿着 陶瓷表面向底板 产 生一条放电通道，将硅 胶 击穿。典型耐电压与陶瓷电气距离的关系曲线如图所示，随着陶瓷电气距离的增加，击穿电压不 断上升，但是 增 加的幅 度逐渐 放 缓，其中主要原因是受基底与铜金属层边缘，所以在该位置的硅胶 就 不仅仅是防止自身内部放电，还要有防止基板与铜层边缘放电 的作用，许多研宄人员也认为模块局部 放电 的主要来源就 是 在陶瓷基板、铜层与桂胶的界面处下面重点对陶瓷基板的设计、灌封 材料的选择及陶瓷边 缘的处理对 绝缘 耐压的影响进行研宄，探宄提升功 率模块 耐 压能力的方法。不同陶瓷电气距离对绝缘耐压的影响硅胶 作为一种绝 缘 材料，在功率模块封 装中广 泛应用，起到防尘绝缘的作用，其理论介电强度达到以上，具有十分优异的耐 压性能。为验证陶瓷边缘距离对耐压的影响，此处设 计了几款不同电气距离的陶瓷基板，陶瓷厚度为，上下覆 铜厚度均 为，陶瓷边缘电气距尚分别为，将不同电气距离的基 板焊接在铜 底 板上，上层铜 皮 各引出 了一根电极，个为一组，然后采用瓦克桂凝胶在同等 条 件下进行灌封绝 缘，模拟 真实的封装场景。利用绝缘 耐压测试仪对组样品的基板上 层铜皮和底板施 加交流电压，以为间隔逐渐提 升电压等级，直至样品击穿失效，得到的结果如图所 示。以使绝 缘部分区域发生放电，是放电限 制在介质中的部分区域内未形成固定放电通道，该种放电现象被称为局部放电。局部放电现象通常发生在绝缘材料的缺陷孔洞处，当施 加电压超过一定阈值时，由于电场的不均匀分 布，引起介质击穿以及放电现象局部放电原因探究模块具有高频、高压、高温的显著优势，为充分利用性能，一些新型的低电感、低热阻封装 不 断出现，然 而，这些封装主要在电压或更低的模 块上应用，对 于高压功 率模块封装优化设计的研究很 有限。键合线型功 率模 块 仍 然 是高压模块的优先选择。功率模 块的结 构如图所示，可以看出，模块的内部封 装结 构 是由芯片、焊锡层、绝 缘 基板上铜层、陶瓷基 板、绝缘基板下铜层、焊锡 层、铜基板组成的层 堆 叠结构 构成，其中陶 瓷基板 起到电气连接及绝缘作用，内部灌封桂凝胶防尘绝 缘，外部封装 外 壳提 供电气 绝缘及结构支撑。图功率模块内部 结构的界面图 具有不同电位的绝缘基 板 上、下铜 层 构成的金属电极，相隔一段绝缘距离覆盖在基板陶瓷上，灌封绝缘材料同时包 裹 绝缘基板 铜 层和 陶瓷基板。因此，绝缘基板铜层、陶瓷基 板和灌封绝缘 材料构成了不 均匀电场下的“三相点”绝 缘结 构。随着施加电压的增加 和电荷注入的增强，试样内部的最大电场强度超过外 施电场 强 度，电场畸变越来越严重。当三相结合点处发生受 空间电荷积聚而 产生严重的 电场 畸变，或者由于金属连接 线端部曲率 半径过小而导致电场集中，以及在硅胶中或者硅胶与陶瓷基板间产生微 气孔或气隙时，局部 放电将 难以避免。局部放电改善及验证陶瓷基底的设计、硅胶的使用环境温度和湿度也都是影响局部 放电的重要因素，然而尽管如此，制约模块局部放电最关键部 位仍然是在陶瓷第卷第期电力电子技术，年月￥样门：编号图不同涂 敷材料耐电压能力 密封胶 涂敷测试击穿电压分别为，环氧树 脂涂敷的测试击穿 电压分别为，聚酰亚胺涂敷的测试击穿电压分别 为，。实验结果表明，种涂敷材料均 对 样品耐压能力有一定能力 的提升，尤其是高 介电强度的聚酰亚胺（介电强度），同等条件下将 样品的击穿电压提升至以上。通过上述实 验，此处分别从陶瓷的 电气距离，灌封材 料的类型以及陶瓷涂敷材料个方面进行对比研宄，从实验结果来看，模块耐压能力会随着陶瓷电气距离的 增加 不断提升，但受 高压局部放电的影响，提升的速度逐渐放 缓；灌封 绝缘材料对高压模块耐压能力的提升并没有非常显著的改变，仅从提升 耐压 能力的角度来说固态灌封材 料更有 优势；陶瓷表面的改进涂敷显著的提升了陶瓷基板的耐压能力，尤其是聚酰亚胺的涂敷，极 大提升了陶瓷基板的耐压能力，可以为 高压模块封装提供思路。高压模 块研制基于 上述研宄，设计了一款等级的超高压模块，模块设计绝 缘耐压要求达到以上。陶瓷选用厚度的陶瓷，内部 灌封桂凝胶进行绝缘保护；基于以上实验，选择设置陶瓷边缘电气距离为，并对陶瓷边缘表面进行聚酰亚胺 涂敷。基于以上设 计，对封 装好的模块进图不同灌封 材料 耐电压能力 高压硅胶并没起到明显改 善作 用，环氧 树脂耐电压能力略强，固体的灌封材料更能抵 抗局部放电 的影响。但是相对于具有弹 性的硅凝胶封装绝缘 材料，环氧树脂虽然具有较高的耐电压击穿能 力，但是同时其杨氏模量也偏高，灌封在功 率模块中，容易在 冷 热循环中发生开 裂等机械失 效，引发模块的耐压失效，所以在 大 封装体积的功率模块中不推荐使用。样品编号不同表面涂敷材料对绝缘耐压的影响局部放电最 关键部位是在陶瓷基 底与铜金属层边缘，因此设法改变陶瓷的表面状态，从而改 变“三相点”的材料组合类型，期望改善陶 瓷对局部放电的影响。为此这里选择对陶瓷表 面涂 敷不同类型的绝 缘材料进行对比实验，分别选择环氧树脂、聚酰亚胺、高压密封胶涂敷在陶瓷表面进行实验，验证可行性。同样方式对组样品（陶瓷的电气距离 均 为）进行测 试。结 果如图所示。陶 瓷电气距离图关 系曲线 不同灌封绝缘材料对绝缘耐压的影响持续地增加陶瓷电气距离并 不能获得 线性上升的耐压能力，且随着陶瓷电气距离的不断 增 加，不可避免地带 来封 装 体积的扩大与陶瓷开裂的风险，不 利于提 升 功 率 模块功率密度。为探宄灌封绝缘材料对耐压能力 的影响，分别 使用了瓦克硅胶（介电强度）、瓦克高压硅胶（介电强度）、硅油与环氧 树脂进行灌封。同样方式对组样品（陶瓷电气距离均 为）进行 测试，直至样品击穿失效。测试结果如图所示，瓦克灌封测试击穿电压分别为，环氧 树脂灌封测试击穿电压分别为，桂油灌封测试击穿电压分别为，。局部放电 的影响。随着施加电压的增加和电荷注入的增强，基 板 铜层、基板陶瓷和 灌封绝 缘硅胶构成的不均匀 电场下 的“三相点”绝 缘结构处的最大电场强度超过外施电场强度，电场畸变 越来越严重，发生局部放电将难以避免。备密封胶涂聚酰亚胺涂环氧树脂不做涂 数超高压功率模块封装研究第卷第期年月电 力电子技术，行模块绝缘耐压能力测试，对端子与底板之间施加，交流电压，漏电流为，未发生击穿，满足模块使用要求。结论此处研宄了超高压封 装中局部放电产生的机理，通过研宄不同的陶瓷边缘电气距离、灌封绝缘材料以及陶瓷涂敷材料对局部 放电的影响，探究了减少模块局部放电，提 升模块绝 缘 耐压的方法。实验结 果表明，模块耐压能力会随着陶瓷电气距离的增 加 不 断提升，但是提升的速度逐渐放缓，灌封绝缘材料对高压模块耐压能力的提 升 并没有非常显著的改变，陶瓷表面的改进涂 敷可以显著的提升陶瓷基板的耐压能 力，尤其是聚酰亚胺的涂 敷，极大地提升了陶瓷基板的耐压能力。在此研宄基础上，此处通过优化 设计，研制出一款等级超高压模 块，模块 绝 缘 耐压能力超过。参考文献，（上接第瓦）避免电流发生倒灌，提高了转换效率。同时，小电流负载时，跳 过部分周 期，减小了工作 频率。可以实现在模式之间 的自动切换，全负载下转换效 率达以上，该方法电路结构简单、鲁 棒性 强，可广泛应用于开关电源中，解决宽负载范围内的转换效 率问题。参考文献，？（）：郭仲杰，曹喜涛，陈浩，等基 于功 率管的效率提升方法电 力电子技术，（）：徐鹏程，韩志刚带有副边电流过 零检测的双模 式开关电源电子技术应用，（）：，？：，？：（）：，（）：，：，（）：郭俊，吴 广宁，张血琴，等局部放电检测技术的现状和发展电工技术学报，（）：，：，？，：？（）：，？（）：，？：，？（）：，？，（），（）：