[实用新型]一种高压碳化硅功率模块

说明书

本实用新型涉及功率模块技术领域，特别是一种高压碳化硅功率模块，包括基板、芯片、外壳和端子，所述端子焊接在覆铜陶瓷板上，所述端子贯穿芯片上方外壳内的灌封胶并延伸至空气，所述端子采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳盖板的PCB板，所述PCB板内部的中间导电层通过过孔与端子电连接。采用上述结构后，本实用新型顶部PCB板的设置使模块在端子间距较小的前提下，保证了端子之间足够的爬电距离，解决了碳化硅功率模块高功率密度的特点和爬电距离、电气间隙之间的矛盾。

技术领域

本实用新型涉及功率模块技术领域，特别是一种高压碳化硅功率模块。

背景技术

功率模块是现代电力电子应用中不可或缺的一部分，承担了主要的电能变换工作。在保证半导体芯片电气性能的同时实现整体可靠散热、机械支撑以及电气绝缘的模块即为功率模块。如今，随着功率半导体芯片的性能不断提高，乃至出现了第三代宽禁带半导体，功率模块的封装却停留在以往传统的模式，成为了制约其发展的主要因素之一，下面以电气绝缘性能为例阐述现有功率模块在封装上的缺陷。

碳化硅器件在高压应用领域得到越来越多的关注，功率模块的封装限制了其在更高的电压等级上的应用。一方面，随着功率半导体电压等级的提高，传统功率模块内部的电场集中现象容易导致局部放电或者打火现象发生，特别当内部存在空气时，由于空气的击穿强度为3kV/mm，空气的区域一旦具有更高的电场强度就会产生放电现象。

另一方面，高电压电气间隙和爬电距离的要求往往使得模块体积被迫增大，而使用了碳化硅器件的高压功率模块体积将大大减小，例如6.5kV/25A Si IGBT模块体积为14×7×4.5cm，而15kV/10A SiC MOSFET的体积仅为8×4×1.3cm，这是由于碳化硅材料本身优异的介电击穿性能，使其芯片的体积本身远小于硅芯片的体积，从而减小了功率模块内部DBC的面积。其次，碳化硅器件开关速度远高于硅器件，而碳化硅模块的性能对寄生参数更为敏感，较小的体积也意味着更小的寄生电感，在提升功率密度的同时减小了模块的寄生效应。然而，高功率密度意味着功率模块外部端子之间距离减小，在较高的工作电压下，功率模块端子与端子之间、端子与基板之间可能在绝缘材料表面发生爬电现象或者在空气中发生击穿现象，严重影响模块长期工作的可靠性，例如电气设备对安全距离的要求中规定，额定冲击电压峰值为12kV的设备最小电气间隙为14mm，对于额定工作电压为10kV，材料组别为IIIa,b且污染等级为2级的设备最短爬电距离为100mm，其中电气间隙为两相邻导体沿空气测量的最短距离，而爬电距离为两个导体沿绝缘表面测量的最短路径。可以看到，由于高压功率模块外部端子需要满足较大的绝缘距离，该标准与高功率密度的特点相互矛盾。

因此，需要针对高压碳化硅芯片提出一种新型的功率模块，在满足高功率密度特点的同时达到安全距离的标准。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种可以解决高压功率模块高功率密度与外部端子绝缘距离之间矛盾的高压碳化硅功率模块。

为解决上述的技术问题，本实用新型的一种高压碳化硅功率模块，包括基板、芯片、外壳和端子，所述端子焊接在覆铜陶瓷板上，所述端子贯穿芯片上方外壳内的灌封胶并延伸至空气，所述端子采用水平弯折的端子，还包括位于模块顶部充当外壳盖板的PCB板，所述PCB板内部的中间导电层通过过孔与端子电连接。

优选的，所述PCB板为多层线路板，包括：

用于焊接焊接功率半导体控制模块及辅助电路的上层导电层；

用于实现电场调制的中间导电层；

通过过孔与中间导电层连接，并与端子连接的下层导电层；

各层导电层之间均通过过孔实现连接。

优选的，所述覆铜陶瓷板包括铜层和陶瓷，所述铜层包括上铜层和下铜层，所述陶瓷设置在上铜层、下铜层之间，所述下铜层固定在基板上；所述上铜层焊有芯片，并通过键合线连接在一起。