寬帶隙半導(dǎo)體可實現(xiàn)高壓(10kv及以上)開關(guān)。因此,需要新的封裝解決方案來為此類設(shè)備奠定的基礎(chǔ)。金屬化陶瓷基板是一種眾所周知且成熟的技術(shù),適用于高達(dá)3.3kv的電壓,但它在較高電壓下表現(xiàn)出一些弱點。由于其制造工藝,金屬化的輪廓很尖銳,并會導(dǎo)致電場增強在“三點區(qū)域”(陶瓷、導(dǎo)體和封裝材料相遇的地方),這可能導(dǎo)致局部放電(PD),最終導(dǎo)致模塊故障。以下主要介紹,一種新的基板結(jié)構(gòu),其中三相點被移到電場較低的區(qū)域。在這種結(jié)構(gòu)中,陶瓷板被加工形成突起圓邊金屬化被釬焊在頂部。
描述了基于有限元的陶瓷基板設(shè)計,計算表明1mm厚的氮化鋁層足以承受10kv。介紹這種基板的制造過程,測試結(jié)果證明了這種新解決方案的優(yōu)越性,局部放電起始電壓提高了38%。
由于其物理特性,寬帶隙半導(dǎo)體使功率器件的額定電壓超過10kv。在這些材料中碳化硅(SiC)是技術(shù)最先進(jìn)的,一些高壓SiC器件已經(jīng)得到證明(單極器件為10kv、雙極器件為15kv)。在研究中10kv額定SiC晶體管的封裝解決方案,特別是我們專注于集中電應(yīng)力和熱應(yīng)力的金屬化陶瓷基板。
有兩種現(xiàn)象限制了隔離層可以承受的電壓,最明顯的是電壓擊穿,當(dāng)電場超過材料的能力時會發(fā)生電壓擊穿,從而導(dǎo)致電弧并立即導(dǎo)致隔離失效。能量較低的現(xiàn)象是局部放電(PD),它不會導(dǎo)致立即分解,但長時間的PD積累可能會導(dǎo)致材料逐漸降解,絕緣材料中發(fā)生的局部放電會導(dǎo)致壽命縮短。研究表明局部放電主要發(fā)生在金屬化的邊緣。
避免電壓擊穿和局部放電的可能解決方案是通過,使絕緣層更厚來減少絕緣層所經(jīng)歷的電場。在陶瓷基板的情況下,這種解決方案是不切實際的陶瓷基板用于疏散半導(dǎo)體器件散發(fā)的熱量。讓它變厚會導(dǎo)致在退化的熱性能,雖然SiC器件理論上可以在非常高的溫度下工作,但它強烈影響單極器件的性能。因此,超過100℃的結(jié)溫是不可取的,這樣的溫度可以使用非常有效的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn),這除其他外需要薄陶瓷層。
在正確選擇的材料是非常重要,電力電子基板中使用的各種陶瓷中,可以觀察到介電強度(20至40kv/mm)和熱導(dǎo)率(28至175w/mk)的巨大差異。總體而言,發(fā)現(xiàn)氮化鋁(AIN)在這兩個方面都是最好的材料,也是在研究中選擇的材料。
增加局部放電起始電壓(PDIV)的另一種 方法是添加特定材料的涂層,其特性(例如中的介電常數(shù)中的電阻率)允許電場弛豫,尤其是在三相點處(陶瓷基板、半導(dǎo)體和封裝材料相遇的地方)。其實在研究了一種替代方法,其中我們改變了結(jié)構(gòu)的幾何形狀,使最大電場不再出現(xiàn)在三相點。
【文章來源:展至科技】
審核編輯 黃昊宇
-
半導(dǎo)體封裝
+關(guān)注
關(guān)注
4文章
260瀏覽量
13747 -
陶瓷基板
+關(guān)注
關(guān)注
5文章
211瀏覽量
11416 -
寬帶隙半導(dǎo)體
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
34瀏覽量
58
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論