专利名称：具有非线性电阻性场分级的功率电子模块及其利记博彩app
具有非线性电阻性场分级的功率电子模块及其利记博彩app本发明涉及根据权利要求I的前导部分具有场分级的功率电子模块以及用于制造这种功率电子器件的方法。在功率电子模块中，电场增强可发生在具有小曲率半径的导电元件，例如作为电极、半导体或金属颗粒的尖和边缘。这种电场增强可导致部分放电和电击穿，这导致功率电子模块的损坏和失效。为了避免这种场增强，也就是说，为了分级电场，例如通过绕过(rounding)尖和边缘可改变元件的几何形状，这是有效、鲁棒且可靠的。此外，这个几何场分级不受施加到电子器件的电压频率的影响。然而，不总是可能避免锐边缘。在功率电子衬底中，例如，通过接合或钎焊在陶瓷衬底上施加铜电极不容易允许电极的3D弯曲几何形状。从现有技术也已知，在要将电场分级的区域中可放置具有所选电气电阻率或高介电系数的材料。然而，已知场分级策略仅提供了小效率或呈现了不想要的边缘效应，例如作 为高泄露电流和频率相关性。US6310401公开了高阻抗层桥接金属陶瓷衬底的顶部金属化部分和底部金属化部分的高压模块。用这种方式，实现了线性电阻性场分级。然而这种场分级主要受对电阻率值的特定选择的强敏感度限制它仅可应用于窄电阻率窗口，其中电阻率足够低以提供某种场分级，并且同时足够高以保持泄露电流，并因此损耗足够小。此外，线性电阻性场分级受其频率相关性的约束，意味着电子电势从金属化端部渗透到场分级层中，并且，用这种方式，场分级的有效性取决于电压信号的频率。作为一个示例，HV功率电子器件、诸如IGBT模块必须通过在50Hz的频率的部分放电测试，而在操作期间存在高达数kHz的频率分量。用这种方式，场分级性能对于测试和操作条件不能同时最优。US20010014413公开了接触电极边缘具有高介电系数层的高压模块的衬底。用这种方式，实现了线性折射场分级。然而，这个线性折射场分级主要受如下事实的限制高介电系数材料经常具有高损耗和低击穿强度。当使用折射场分级用于公共高压功率电子衬底时存在另一个问题，其是场分级构件的介电系数必须选择得特别高，这是由于通常使用已经具有十分高相对介电系数Eain = 8.5-10的ain陶瓷，并且因为折射场分级的质量很大程度上由介电系数比
￡ lay / ￡ sutKtr.iSe 确走。由此本发明的目的是提供具有改进场分级效率并具有最小泄露电流和频率相关性的功率电子模块的系统。该问题通过根据权利要求I的功率电子模块解决。根据本发明的功率电子模块包括电子器件。电子器件包括用于承载半导体元件的绝缘衬底、在衬底上形成的至少一个金属层和沿至少一个金属层与绝缘衬底之间形成的至少一个边缘定位在所述衬底上的场分级构件。场分级构件具有非线性电气电阻率。该问题还通过根据权利要求16和20的方法解决。用于制造功率电子模块的方法包括如下步骤。至少一个金属层形成在衬底上。具有非线性电气电阻率的场分级构件布置在至少一个金属层的至少一个边缘上。
场分级构件由非线性电气材料、即具有非线性电气电阻率的材料制成。非线性电气材料优选设计成具有适当的切换场强度。切换场强度是材料从绝缘模式切换到导电模式的电场强度。另一方面，这意味着，场分级构件在电子器件的正常操作电压期间保持绝缘，并防止不期望的泄露电流。另一方面，场分级构件在过压条件期间、例如在测试期间变得局部导电，并由此有效地降低了否则可导致部分放电和电气击穿的电场增强。从而，用非线性场分级构件达到有效正常操作和过压期间击穿和部分放电的消除。“局部导 电”是指电场超过切换场强度的区域中的导电。另外，“局部导电”是指在接触场分级构件的两个电极之间大多数泄露电流流动。流过场分级构件的这个泄露电流应该是流过连接到相同电极在其阻断状态的半导体芯片的泄露电流的量级的大多数。相比线性电阻性场分级，使用非线性电阻性场分级的主要益处是⑴泄露电流仅发生在非常高电场强度时而不在操作条件时，以及(2)相当大地改进了场分级的频率相关性。这个效果通过参考 Rhyner 等人的 “One-dimensional model for nonlinear stresscontrol in cable terminations，，(IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulation, Vol. 4, No. 6, pp. 785-791，1997)概括了。在这篇文章中，评估渗透长度I，其对应于距场分级材料内电子电势降低到分数I/e (e是Euler数)的金属化端的距离。发现
权利要求
1.功率电子模块，包括电子器件(I)，所述电子器件(I)包括用于承载半导体元件(6)的绝缘衬底(2)、在所述衬底(2)上形成的至少一个金属层(3，4，5)和沿所述至少一个金属层(3，4，5)与所述绝缘衬底(2)之间形成的至少一个边缘(12到16)定位在所述衬底(2)上的场分级构件(17)，其特征在于 所述场分级构件(17)具有非线性电气电阻率。
2.如权利要求I所述的功率电子模块，其特征在于所述场分级构件(17，23)的特征性电流密度-电场强度-曲线(19)示出在切换场强度非线性系数大于2，优选地在切换场强度所述非线性系数大于5，并且最优选地在切换场强度所述非线性系数大于10。
3.如权利要求2所述的功率电子模块，其特征在于所述切换场强度大于所述电子器件的所述最大临界测试电压与所述衬底表面方向上的所述场分级构件(17)的长度(L)之比的一半。
4.如权利要求I至3中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述电子器件(I)包括操作在优选至少800V和/或优选高达8kV的非常高电压的多于一个金属层(4，5)。
5.如权利要求I至4中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述场分级构件(17)或至少一个所述场分级构件(17)不接地。
6.如权利要求I至5中任一项所述的功率电子模块，其特征在于沿至少一个所述金属层(3，4，5)周围的所述边缘(12到16)长度的至少50%，优选沿所述长度的至少80%，并且最优选沿所述边缘(12到16)长度的至少90%，定位所述场分级构件(17)。
7.如权利要求6所述的功率电子模块，其特征在于沿所述衬底(2)至少一侧上的所有所述金属层(3，4，5)周围的所述边缘(12到16)长度的至少50%、优选80%并且最优选至少90%定位所述场分级构件。
8.如权利要求I至7中任一项所述的功率电子模块，其特征在于至少两个金属层(3，4，5)形成在所述衬底(2)上，并且所述场分级构件(17)沿所述至少两个金属层(3，4，5)中每个的至少一个边缘(12到16)定位在所述衬底(2)上。
9.如权利要求I至8中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述场分级构件(17)包括填充有具有非线性电气电阻率的颗粒的绝缘基质。
10.如权利要求9所述的功率电子模块，其特征在于所述绝缘基质包括至少一个另外填充物，其中所述填充物是半导体或高介电系数材料。
11.如权利要求10所述的功率电子模块，其特征在于所述至少一个另外填充物相比具有非线性电气电阻率的填充物具有减小的颗粒大小。
12.如权利要求I至8中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述场分级构件由具有非线性电气电阻率的颗粒构成，它们接合在所述衬底(2)上。
13.如权利要求9至12中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述场分级构件(17)的所述非线性电阻性颗粒是由掺杂多晶氧化锌制成的粒状微变阻器。
14.如权利要求I至13中任一项所述的功率电子模块，其特征在于用钝化层密封所述场分级构件。
15.如权利要求I至14中任一项所述的功率电子模块，其特征在于所述功率电子模块是IGBT模块。
16.用于制造功率电子模块、尤其是用于制造如权利要求I至15中任一项所述的功率电子模块的方法，包括如下步骤 在绝缘衬底(2)上形成至少一个金属层(3，4，5)； 之后 在所述金属层(3，4，5)的至少一个所述边缘(12到16)上布置具有非线性电气电阻率的场分级构件(17)。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于在绝缘基质中混合具有非线性电气电阻率的填充物和可选其它填充物； 之后 在所述衬底(2)上针式分配或打印或涂抹或涂敷或喷涂混合物； 之后 通过加热、紫外辐射或其它手段固化所述混合物。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于在所述衬底上施加粘合剂或接合剂； 之后 在所述衬底(2)上放置或按压具有非线性电气电阻率的填充物和可选其它填充物。
19.如权利要求16到18中任一项所述的方法，其特征在于用钝化层密封所述填充物。
20.用于制造电子器件的方法，包括如下部分在绝缘基质中混合具有非线性电气电阻率的填充物和可选其它填充物； 之后 施加所述填充物/基质混合物作为所述电子器件的封装。
全文摘要
本发明涉及具有包括衬底(2)、在衬底(2)上形成的金属层(3,4,5)和沿金属层(3,4,5)的边缘(12到16)定位的场分级构件(17,23)的电子器件的功率电子器件。场分级构件(17)具有非线性电气电阻率。本发明还涉及制造这种功率电子器件的方法。
文档编号H01L23/498GK102754204SQ201080064079
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月17日
发明者F.格罗伊特, J.舒德雷尔, L.唐策尔 申请人:Abb 技术有限公司