宽带隙半导体封装用于高压来突出陶瓷基板

       宽带隙半导体可实现高压（10kv及以上）开关。因此，需要新的封装解决方案来为此类设备奠定的基础。金属化陶瓷基板是一种众所周知且成熟的技术，适用于高达3.3kv的电压，但它在较高电压下表现出一些弱点。由于其制造工艺，金属化的轮廓很尖锐，并会导致电场增强在“三点区域”（陶瓷、导体和封装材料相遇的地方），这可能导致局部放电（PD），最终导致模块故障。以下主要介绍，一种新的基板结构，其中三相点被移到电场较低的区域。在这种结构中，陶瓷板被加工形成突起圆边金属化被钎焊在顶部。

       描述了基于有限元的陶瓷基板设计，计算表明1mm厚的氮化铝层足以承受10kv。介绍这种基板的制造过程，测试结果证明了这种新解决方案的优越性，局部放电起始电压提高了38%。

       由于其物理特性，宽带隙半导体使功率器件的额定电压超过10kv。在这些材料中碳化硅（SiC）是技术最先进的，一些高压SiC器件已经得到证明（单极器件为10kv、双极器件为15kv）。在研究中10kv额定SiC晶体管的封装解决方案，特别是我们专注于集中电应力和热应力的金属化陶瓷基板。

       有两种现象限制了隔离层可以承受的电压，最明显的是电压击穿，当电场超过材料的能力时会发生电压击穿，从而导致电弧并立即导致隔离失效。能量较低的现象是局部放电（PD），它不会导致立即分解，但长时间的PD积累可能会导致材料逐渐降解，绝缘材料中发生的局部放电会导致寿命缩短。研究表明局部放电主要发生在金属化的边缘。

       避免电压击穿和局部放电的可能解决方案是通过，使绝缘层更厚来减少绝缘层所经历的电场。在陶瓷基板的情况下，这种解决方案是不切实际的陶瓷基板用于疏散半导体器件散发的热量。让它变厚会导致在退化的热性能，虽然SiC器件理论上可以在非常高的温度下工作，但它强烈影响单极器件的性能。因此，超过100℃的结温是不可取的，这样的温度可以使用非常有效的冷却系统来实现，这除其他外需要薄陶瓷层。

       在正确选择的材料是非常重要，电力电子基板中使用的各种陶瓷中，可以观察到介电强度（20至40kv/mm）和热导率（28至175w/mk）的巨大差异。总体而言，发现氮化铝（AIN）在这两个方面都是最好的材料，也是在研究中选择的材料。

       增加局部放电起始电压（PDIV）的另一种 方法是添加特定材料的涂层，其特性（例如中的介电常数中的电阻率）允许电场弛豫，尤其是在三相点处（陶瓷基板、半导体和封装材料相遇的地方）。其实在研究了一种替代方法，其中我们改变了结构的几何形状，使最大电场不再出现在三相点。

【文章来源：展至科技】

审核编辑 黄昊宇