一种针对高压碳化硅功率模块的覆铜陶瓷板的制作方法

1.本发明涉及封装技术领域，特别是一种针对高压碳化硅功率模块的覆铜陶瓷板。


背景技术：

2.随着数十兆瓦功率变换器实现兆伏电机调速、固态变压器实现配电网及输电线路潮流控制等现代电力电子技术的兴起，具有高压、高频、高温的碳化硅全控器件具有越来越大的吸引力。但是，若想实现碳化硅功率器件高压的优势，就需要应对高额定电压和轻薄芯片结构对器件封装提出了严峻的挑战。传统硅基器件的功率封装结构（包括其内部覆铜陶瓷板）方案已无法发挥出碳化硅器件的高压的优点。
3.对于高压的碳化硅功率模块封装的设计首先需要考虑的就是封装模块的耐受电压。早在2004年，abb、英飞凌、中国中车等公司就推出了针对6.5kv igbt的高压工业标准封装。随着宽禁带半导体材料的兴起，现在实验室已经有15kv的碳化硅功率模块，该模块采用堆叠覆铜陶瓷板降低电场强度。但是目前对于高压碳化硅器件的研究还处于起步阶段，大多在实验室内进行，未实现商业化。
4.在高压领域，为保证模块能够安全可靠运行，首先需要考虑的就是模块的绝缘设计问题。在模块工作时，其内部芯片终端位置、三重点位置（覆铜陶瓷板铜层、灌封材料、覆铜陶瓷板陶瓷层的交界处）均存在电场集中现象，尤其是后者，一旦该位置的电场强度超过绝缘材料的击穿场强，就会出现局部放电现象，加速模块老化，甚至使芯片和器件损坏，当空洞存在的时候所造成的影响会更加严重。这种问题对于比较薄的碳化硅芯片更加明显，因此，对高压模块内部的电场优化是必不可少的。
5.中国实用新型专利cn 207354068 u公开了一种igbt功率模块及包含其的功率模组，包括多个igbt功率模块子模块和两个冷却基板，多个igbt功率模块子模块沿冷却基板的长度方向按照预定间隔布置并通过封装体封装在两个冷却基板之间，冷却基板包括第一冷却基板和第二冷却基板，第一冷却基板和第二冷却基板在不与 igbt功率模块子模块接触的表面上形成有由多个突起构成的冷却部，并且第一冷却基板和第二冷却基板分别在两端开设有相互连通以分别构成第一导水口和第二导水口的开口。虽然，对比文件能够提高散热效率，但是无法减少电场集中现象。
6.中国实用新型专利cn212848360u公开了一种铜层陷入陶瓷层结构的覆铜陶瓷板，该覆铜陶瓷板虽然减少了电场集中现象，但是效果依然有提升的空间。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是：克服现有技术中的不足，提供一种可以进一步减少电场集中现象的针对高压碳化硅功率模块的覆铜陶瓷板。
8.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
9.一种针对高压碳化硅功率模块的覆铜陶瓷板，包括自上而下依次连接的上铜层、上陶瓷层、中铜层、下陶瓷层、下铜层，所述上陶瓷层的上表面开有凹槽，所述上铜层镶嵌在
所述凹槽内。
10.进一步的，所述上铜层的上表面与所述上陶瓷层的上表面齐平。
11.进一步的，所述上铜层、中铜层和下铜层的厚度相等。
12.进一步的，所述上铜层厚度为0.3mm；所述中铜层厚度为0.3mm；所述下铜层厚度为0.3mm。
13.进一步的，所述上陶瓷层的厚度与下陶瓷层的厚度相等。
14.进一步的，所述上陶瓷层的厚度为0.5mm，所述下陶瓷层的厚度为0.5mm。
15.进一步的，所述上陶瓷层、下陶瓷层的材料为氧化铝。
16.采用本实用新型的技术方案的有益效果是：
17.1、本实用新型在保证了可制造性的前提下，进一步提升了减少电场集中现象的能力。
18.2、采用三层铜层两层陶瓷层堆叠并且铜层陷入陶瓷层的结构后，本实用新型在降低现有功率模块三重点电场强度的同时，将三重点转移，提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能。
19.3、在相同的陶瓷层厚度下，该模块能承受比原先更高的绝缘电压，相比现有的覆铜陶瓷板更适用于碳化硅等高压功率模块场合。
20.4、本实用新型的结构将可能出现的空洞的位置消除了，避免在电场最脆弱的地方即三重点处产生空洞。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中
22.图1为包含本实用新型的功率模块的结构示意图；
23.图2为现有技术中功率模块的传统覆铜陶瓷板结构示意图；
24.图3为现有技术中功率模块的堆叠结构覆铜陶瓷板的结构示意图；
25.图4为现有技术中心功率模块的陷入结构覆铜陶瓷版的结构示意图；
26.图5为本实用新型功率模块的覆铜陶瓷板结构示意图；
27.图6为现有技术中功率模块的覆铜陶瓷板在6.5kv电压下电场分布示意图；
28.图7为现有技术中功率模块的堆叠结构覆铜陶瓷板在6.5kv电压下电场分布示意图；
29.图8为现有技术中功率模块的陷入结构覆铜陶瓷板在6.5kv电压下电场分布示意图；
30.图9为本实用新型功率模块的堆叠加陷入结构覆铜陶瓷板在6.5kv电压下电场分布示意图。
31.1-基板 2-上铜层 3-上陶瓷层 4-中铜层 5-下陶瓷层 6-下铜层 7-硅凝胶 8-碳化硅芯片 9-键合线 10-输出端子 11-外壳。
具体实施方式
32.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。本实用新型利用结构示意图等进行详细描述，示意图只是实例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
33.请参阅图2-图9，一种针对高压碳化硅功率模块的覆铜陶瓷板，包括自上而下依次连接的上铜层2，上陶瓷层3，中铜层4，下陶瓷层5，下铜层6，所述上陶瓷层3的上表面开有凹槽，所述上铜层2镶嵌在凹槽内，且上铜层2上表面与上陶瓷层3上表面齐平。相比于传统覆铜陶瓷板，该新型结构摒弃了原先单层陶瓷层的结构，将其二等分并加入中铜层4，中铜层4的引入使原先在上铜层2和下铜层6与陶瓷层的交接面处电场强度减弱，同时减小了由陶瓷层带来的寄生电容。本实用新型将上铜层2整体嵌入上陶瓷层3中，这样进一步降低了电场强度。在传统覆铜陶瓷板灌封过程中会在三重点处出现空洞，本实用新型的结构将可能出现的空洞的位置消除了，避免在电场最脆弱的地方即三重点处产生空洞。并且本实用新型的结构大大提升了覆铜陶瓷板的绝缘性能，在相同的陶瓷层厚度下，该模块能承受比原先更高的绝缘电压。
34.下铜层66厚度为0.3mm；所述中铜层44厚度为0.3mm；所述上铜层22厚度为0.3mm。上陶瓷层33的厚度为0.5mm，所述下陶瓷层55的厚度为0.5mm。上陶瓷层33、下陶瓷层55的材料为氧化铝，也可以使用氮化铝。
35.如图6-图9所示，在相同尺寸的情况下本实用新型电场强度最大处为1.0842
×
10
7 v/m显著小于如图6所示的现有技术中的传统覆铜陶瓷板的最大电场强度1.7689
×
10
7 v/m，也显著小于如图7所示的现有技术中仅采用堆叠结构的覆铜陶瓷板的最大电场强度1.2584
×
10
7 v/m，也小于如图8所示的现有技术中心仅采用陷入结构的覆铜陶瓷板的最大电场强度1.4712
×
10
7 v/m。
36.如图1所示。包含本专利申请的高压功率模块包括基板1，覆铜陶瓷板固定在基板1上，由芯片厂商制造的碳化硅裸芯片焊接在覆铜陶瓷板上，芯片8上表面通过键合线9将芯片8焊盘与输出端子10连接。在芯片模块焊接完成后，先将外壳11加装在基板1上，然后将硅凝胶7填充进模块内部，提高模块绝缘强度。
37.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。