寬帶隙半導體可實現高壓（10kv及以上）開關。因此，需要新的封裝解決方案來為此類設備奠定的基礎。金屬化陶瓷基板是一種眾所周知且成熟的技術，適用于高達3.3kv的電壓，但它在較高電壓下表現出一些弱點。由于其制造工藝，金屬化的輪廓很尖銳，并會導致電場增強在“三點區域”（陶瓷、導體和封裝材料相遇的地方），這可能導致局部放電（PD），最終導致模塊故障。以下主要介紹，一種新的基板結構，其中三相點被移到電場較低的區域。在這種結構中，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，測試結果證明了這種新解決方案的優越性，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）是技術最先進的，一些高壓SiC器件已經得到證明（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力和熱應力的金屬化陶瓷基板。

有兩種現象限制了隔離層可以承受的電壓，最明顯的是電壓擊穿，當電場超過材料的能力時會發生電壓擊穿，從而導致電弧并立即導致隔離失效。能量較低的現象是局部放電（PD），它不會導致立即分解，但長時間的PD積累可能會導致材料逐漸降解，絕緣材料中發生的局部放電會導致壽命縮短。研究表明局部放電主要發生在金屬化的邊緣。

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體器件散發的熱量。讓它變厚會導致在退化的熱性能，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℃的結溫是不可取的，這樣的溫度可以使用非常有效的冷卻系統來實現，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）和熱導率（28至175w/mk）的巨大差異。總體而言，發現氮化鋁（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，其中我們改變了結構的幾何形狀，使最大電場不再出現在三相點。

【文章來源：展至科技】

審核編輯 黃昊宇