一种igbt模块结构的制作方法
【专利摘要】一种IGBT模块结构，包括AlSiC基板，位于该AlSiC基板上的敷铜层，位于该敷铜层上的AlN绝缘陶瓷层，位于该AlN绝缘陶瓷层上的金属焊垫，以及位于该金属焊垫上的芯片，所述AlN绝缘陶瓷层和AlSiC基板之间设有空腔，所述空腔位于芯片的下方。通过在芯片下方设置一个空腔，从而降低电场极大值处电场强度，减小局部放电视在电荷，避免局部放电的发生，提高模块的放电性能。
【专利说明】一种IGBT模块结构
【技术领域】
[0001]本发明属于电子电路的设计领域，尤其是一种能够提高局部放电率的IGBT模块结构。
【背景技术】
[0002]IGBT (绝缘栅双极型晶体管)是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为M0SFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
[0003]目前IGBT模块容量已经达到2000A/6500V，满足电力电子与电力传动领域的应用要求。然而，随着IGBT功率模块电压等级升高，绝缘系统承受的电场越来越强，人们对电力电子器件运行可靠性提出更加苛刻的要求。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到IGBT模块生产厂家重视。目前，国际上IGBT模块局部放电通常根据GB/T7305-2003/IEC60270:2000标准方法进行测试，测试中将局部放电视在电荷限制在10pC，保证模块能安全工作且有足够长的使用寿命。未通过测试的模块降级使用或报废，大大降低了生产效率。
[0004]IGBT模块中，AlN陶瓷及敷铜板接触边缘曲率半径较小，电场集中，是IGBT模块的薄弱部位。同时，AlN陶瓷上敷铜板通常通过腐蚀形成，腐蚀过程中容易造成金属边缘不均匀，电场进一步增强，导致局部放电的发生。虽然模块局部放电一般不会引起绝缘部分的穿透性击穿，但可以导致硅凝胶的局部损坏，为模块的正常使用造成隐患。2005年，瑞士 ABB公司 J.H.Fabian等人在其发表的文章《Analysis of Insulation Failure Modes in HighPower IGBT Modules》中通过数值模拟的方法确定IGBT模块电场极大值位于DCB板上敷铜层、AlN陶瓷及娃凝胶交界处。2010年,Ning-yan Wang等人通过实验法观察到放电位置发生在模块电场极大值处。2013年，J.-L.Aug6等人在其发表的文章《Partial Dischargesin Ceramic Substrates Embedded in Liquids and Gels》中明确指出敷铜层、AlN 陶瓷及硅凝胶交界处放电是导致IGBT模块局部放电测试不通过的主要原因。
[0005]通常，改善IGBT模块局部放电性能有两个方面，一方面使用新的绝缘材料，提高其承受电场的能力；另一方面通过仿真计算或测量，判断发生局部放电的位置，通过改变结构及优化工艺来降低电场强度，避免局部放电的发生。
[0006]美国专利US6201696B1中通过在AlN陶瓷及敷铜层边界覆盖电绝缘聚酯(Polyester)或环氧树脂来提高局部放电能力。瑞士 ABB公司也申请专利(申请号:200480009083.5)在敷铜层及AlN陶瓷边界覆盖低粘度单体或低聚体(oligomer)聚酰亚胺(polyimide)来减小局部放电的发生。
[0007]然而现有的这些改善方法却依旧存在如下的缺点:
[0008](I)由于AlN陶瓷和敷铜层表面比较粗糙，覆盖电绝缘聚酯或环氧树脂时，关键位置粘附性不好且空气容易残留在AlN陶瓷和敷铜层边界处，进一步导致局部放电的发生；
[0009](2)聚酰亚胺前体使用量及粘度要足够低以保证其能覆盖陶瓷衬底和敷铜层拐角处，同时聚酰亚胺前体需要加入娃氧烧基(Siloxanebased)类粘附剂促进剂,改善金属和陶瓷之间粘附能力。覆盖完聚酰亚胺前体后需要进行I个小时200-350°C的固化，聚酰亚胺前体中的单体和/低聚体聚合形成聚酰亚胺。工艺较为复杂且可控性较差；
[0010](3)该方法可以降低局部放电的发生，但并没有降低电场极大值处电场强度，根本问题没有得到解决。
[0011]因此，如何降低电场极大值处电场强度是提高IGBT模块绝缘性能、降低局部放电视在电荷的关键。
【发明内容】
[0012]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新的IGBT模块结构，通过对IGBT模块结构的优化设计，降低芯片的极大值电场强度，避免局部放电的发生。
[0013]根绝本发明的目的提出一种IGBT模块结构，包括AlSiC基板，位于该AlSiC基板上的敷铜层，位于该敷铜层上的AlN绝缘陶瓷层，位于该AlN绝缘陶瓷层上的金属焊垫，以及位于该金属焊垫上的芯片，所述AlN绝缘陶瓷层和AlSiC基板之间设有空腔，所述空腔位于芯片的下方。
[0014]优选的，所述空腔的顶部被所述AlN绝缘陶瓷层覆盖，所述空腔的底部位于部分AlSiC基板中。
[0015]优选的，所述空腔的深度为0.5mm-2.5mm。
[0016]优选的，所述空腔的面积至少超过所述芯片的面积，且所述芯片全部落入空腔对应的面积内。
[0017]优选的，所述空腔的面积大于所述金属焊垫的面积，且该空腔的边界宽度与所述金属焊垫的边界宽度之差在lmm-2.3mm之间。
[0018]优选的，所述IGBT模块的芯片数量大于1，所述空腔位于所有芯片的下方。
[0019]优选的，所述IGBT模块的芯片数量大于1，所述每个芯片的下方都对应设有一个空腔。
[0020]与现有技术相比，本发明通过在芯片下方设置一个空腔，从而降低电场极大值处电场强度，减小局部放电视在电荷，避免局部放电的发生，提高模块的放电性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1是本发明第一实施方式下的IGBT模块结构示意图。
[0023]图2是本发明第二实施方式下的IGBT模块结构示意图。
[0024]图3是本发明第三实施方式下的IGBT模块结构示意图。
[0025]图4为传统模块结构及电场分布图。[0026]图5为本发明提出模块结构及电场分布图。
[0027]图6和图7分别Emax随空腔体宽度w及深度d的变化关系图。
【具体实施方式】
[0028]正如【背景技术】中所述，在现有的IGBT模块中，为了改善IGBT模块的局部放电性能，往往通过使用新的绝缘材料，来提高其承受电场的能力。然而这种方式不仅导致制作工艺的复杂度增加，而且由于未能降低模块电场极大值处的电场强度，还是没能从根本上改善模块的局部放电性能。
[0029]因此本发明从改变结构及优化工艺的角度出发，提出了一种新的IGBT模块结构，通过在芯片下方设置一个空腔，从而降低电场极大值处电场强度，减小局部放电视在电荷，避免局部放电的发生，提高模块的放电性能。
[0030]下面将对本案的技术方案做详细介绍。
[0031]请参见图1，图1是本发明第一实施方式下的IGBT模块结构示意图。如图所示，该IGBT模块结构100包括AlSiC基板110，位于该AlSiC基板110上的敷铜层120，位于该敷铜层120上的AlN绝缘陶瓷层130，位于该AlN绝缘陶瓷层130上的金属焊垫140，以及位于该金属焊垫140上的芯片150。在AlN绝缘陶瓷层130和AlSiC基板110之间设有空腔160，该空腔160位于芯片150的下方。
[0032]其中，该敷铜层120和AlSiC基板110之间，还设有焊接层111，主要用来将敷铜层120固定在AlSiC基板110上。金属焊垫140制作在AlN绝缘陶瓷层130，其材料可以是铜、银、或其它具有优异导电性能的金属。该金属焊垫140的作用是将芯片150焊接到由AlSiC基板110、该敷铜层120和AlN绝缘陶瓷层130构成的衬底上。如图中所示，该金属焊垫140的面积稍大于芯片150的面积，这样可以确保芯片150与衬底之间固定与电连接的可靠性。芯片150通常为IGBT芯片，当然在一些其它应用中，该芯片150也可以是快恢复二极管(FRD)芯片等不同功能的芯片。
[0033]本发明的发明重点，就是在该芯片150的下方，开设了一个空腔160。具体地，在纵向方向上，该空腔160的顶部被所述AlN绝缘陶瓷层130覆盖，该空腔160的底部位于部分AlSiC基板110中。也就是说，该空腔160至少穿透覆铜层120和焊接层111，并且深入到部分AlSiC基板110中。在横向方向上，该空腔160的面积至少超过芯片150的面积，且如果从上往下看，所有芯片全部落入空腔160对应的面积内。制作该空腔时，可以先在AlSiC基板110上依次制作焊接层111和敷铜层120，然后利用定位方法知道需要制作空腔的地方，进行刻蚀。刻蚀直至AlSiC基板110内部，达到空腔所需的深度为止。然后在表面制作AlN绝缘陶瓷层130和其它上层结构，从而得到本发明的IGBT模块结构。
[0034]该空腔160的存在，可以减少芯片150区域的放电视在电荷，从而改变芯片150出的场强分布，减少原本极大值处的电场避免局部放电的发生，提高模块的放电性能。
[0035]请参见图2，图2是本发明第二实施方式下的IGBT模块结构示意图。如图所示，该第二实施方式中，在AlN绝缘陶瓷层上，设有两个的芯片151、152。这两个芯片151、152分别对应地设置了两个金属焊垫141、142。芯片151和芯片152之间存在一定的间隙。此时，位于两个芯片151、152的下方设有一个共同的空腔161,该空腔161的面积至少大于所有芯片所处的面积。其余结构则和实施方式一类同，此处不再赘述。[0036]值得注意的是，该第二实施方式虽然以2块芯片作为示例，但是作为该实施方式的普通扩展，当芯片的数量多于2块时，也应当可以由该第二实施方式中得到启发，从而得到多块芯片时的模块结构。
[0037]请参见图3，图3是本发明第三实施方式下的IGBT模块结构示意图。如图所示，该第三实施方式中，同样在AlN绝缘陶瓷层上，设置了两块芯片，但是与第二实施方式不同的是，该第三实施方式设置了两个空腔162、163，分别位于不同的芯片下方，每个空腔之间彼此独立，互不相连，并且每个空腔的面积分别大于对应的芯片的面积。
[0038]同样，作为该第三实施方式的延伸，当芯片的数量多于2块时，也可以从该第三实施方式中得到启发，从而得到多块芯片时的模块结构。
[0039]下面，以一种具体的IGBT模块为例，分析本发明所提出的IGBT模块结构的放电性能。其中AlSiC基板110厚大概为5mm左右，敷铜层120的厚度大概为300 μ m左右，AlN绝缘陶瓷层130的厚度大概为650 μ m左右，IGBT芯片670 μ m。以第二实施方式中IGBT模块结构为例，利用有限元分析软件ANSYS分别对本发明的IGBT模块结构和传统的IGBT模块结构的电场分布做模拟计算。请参见图4和图5，图4为传统模块结构及电场分布图，图5为本发明提出模块结构及电场分布图。可以看出，传统的IGBT模块结构的电场极大值(Emax)(2.77X 107V/m)位于芯片上部敷铜层与AlN绝缘陶瓷交界拐角处和两芯片中间位置，与文献报道结果一致。
[0040]采用本发明提出的IGBT模块结构可以有效降低电场极大值处电场强度，如图5所示，电场强度极值大小与位置都发生了变化。新结构中，Emax由传统结构的2.77X 107V/m下降到8.74X 106V/m，下降了 68%，效果明显。Emax也由IGBT芯片中间位置变化到了芯片外边缘，有利于减少局部放电的发生。
[0041]请再参见图6和图7，图6和图7分别Emax随空腔体宽度w及深度d的变化关系。其中的空腔体宽度w的定义请参见图1:空腔的面积大于金属焊垫的面积，且该空腔的边界宽度与金属焊垫的边界宽度之差即为空腔体宽度W。图6中，固定空腔的深度d为1_，空腔的宽度w的变化范围为在lmm-2.25mm之间。图7中，固定空腔的宽度为2mm，空腔深度d的变化范围为0.5mm-2.5mm。从图6和图7中可以看出，Emax随空腔体宽度w及深度d的增加减小明显，然而考虑到模块导热及机械强度，并非两者的值越大越好，需要使模块的具体应用场合而定。
[0042]本发明通过刻蚀法在IGBT芯片底部AlN陶瓷下形成空腔体来降低模块电场强度极大值，合理调整空腔体与芯片相对位置及尺寸得到最优。有限元分析计算表明，该结构能有效降低IGBT模块电场极大值的同时电场分布也发生变化。有利于减小局部放电视在电荷，提高IGBT模块局部放电测试通过率。
[0043]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种IGBT模块结构，包括AlSiC基板，位于该AlSiC基板上的敷铜层，位于该敷铜层上的AlN绝缘陶瓷层，位于该AlN绝缘陶瓷层上的金属焊垫，以及位于该金属焊垫上的芯片，其特征在于:所述AlN绝缘陶瓷层和AlSiC基板之间设有空腔，所述空腔位于芯片的下方。
2.如权利要求1所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述空腔的顶部被所述AlN绝缘陶瓷层覆盖，所述空腔的底部位于部分AlSiC基板中。
3.如权利要求1所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述空腔的深度为0.5mm-2.5mm。
4.如权利要求1所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述空腔的面积至少超过所述芯片的面积，且所述芯片全部落入空腔对应的面积内。
5.如权利要求4所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述空腔的面积大于所述金属焊垫的面积，且该空腔的边界宽度与所述金属焊垫的边界宽度之差在lmm-2.3mm之间。
6.如权利要求1所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述IGBT模块的芯片数量大于I，所述空腔位于所有芯片的下方。
7.如权利要求1所述的IGBT模块结构，其特征在于:所述IGBT模块的芯片数量大于1，所述每个芯片的下方都对应设有一个空腔。
【文档编号】H01L23/60GK103633035SQ201310648950
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】曹琳 申请人:西安永电电气有限责任公司