[发明专利]一种局部放电减弱的高压IGBT模块及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种用于减弱局部放电效果的高压IGBT模块的制造方法以及具有局部放电减弱行为的高压IGBT模块。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，全文简称IGBT）具有高频率、高电压、大电流、尤其是容易开通和关断的性能特点，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品，至今已经发展到第六代，商业化已发展到第五代。目前，IGBT已广泛应用于国民经济的各行各业中。

IGBT模块主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中。当今以IGBT模块为代表的新型电力电子器件是高频电力电子线路和控制系统的核心开关元器件，现已广泛应用于电力机车、高压输变电、电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源等领域，市场前景非常好。

IGBT模块结合了大功率晶体管（GTR）及大功率场效应晶体管（MOSFET）的优点，是比较理想的全控型器件，具有控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点。目前IGBT模块容量已经达到2000A/6500V，满足电力电子与电力传动领域应用要求。然而，随着IGBT功率模块电压等级的升高，绝缘系统承受的电场越来越强，完全不发生局部放电是不实际的。目前，IGBT模块局部放电通常根据GB/T7305-2003/IEC60270:2000标准方法进行测试，测试中将局部放电视在电荷限制在10pC，保证模块能安全工作且有足够长的使用寿命。未通过测试的模块降级使用或报废，大大降低了生产效率。

IGBT模块中，AlN陶瓷及敷铜板接触边缘曲率半径较小，电场集中。同时，AlN陶瓷上敷铜板通常通过腐蚀形成，腐蚀过程中容易造成金属边缘不均匀，电场进一步增强，导致局部放电的发生。2005年，瑞士ABB公司J.H.Fabian等人在其发表的文章《Analysis of Insulation Failure Modes in High Power IGBT Modules》中通过数值模拟的方法确定高压IGBT模块电场极大值位于DCB板上敷铜层、AlN陶瓷及硅凝胶交界处。2010年，Ning-yan Wang等人通过实验法观察到放电位置发生在模块电场极大值处。2013年，J.-L.Augé等人在其发表的文章《Partial Discharges in Ceramic Substrates Embedded in Liquids and Gels》中明确指出敷铜层、AlN陶瓷及硅凝胶交界处放电是导致IGBT模块局部放电测试不通过的主要原因。

因此，如何降低电场极大值处电场强度是提高IGBT模块绝缘性能，降低局部放电视在电荷的关键。

通常，改善IGBT模块局部放电性能有两个方面，一方面使用新的绝缘材料，提高其承受电场的能力；另一方面通过仿真计算或测量，判断发生局部放电的位置，通过改变结构及优化工艺来降低电场强度，避免局部放电的发生。

美国专利US6201696B1中通过在AlN陶瓷及敷铜层边界覆盖电绝缘聚酯（Polyester）或环氧树脂来提高局部放电能力。由于AlN陶瓷和敷铜层表面比较粗糙，覆盖电绝缘聚酯或环氧树脂时，关键位置粘附性不好且空气容易残留在AlN陶瓷和敷铜层边界处，进一步导致局部放电的发生。

瑞士ABB公司也申请专利（申请号：200480009083.5）在敷铜层及AlN陶瓷边界覆盖低粘度单体或低聚体（oligomer）聚酰亚胺（polyimide）来减小局部放电的发生。聚酰亚胺前体使用量及粘度要足够低以保证其能覆盖陶瓷衬底和敷铜层拐角处，同时聚酰亚胺前体需要加入硅氧烷基（siloxane based）类粘附剂促进剂，改善金属和陶瓷之间粘附能力。覆盖完聚酰亚胺前体后需要进行1个小时200～350℃的固化，聚酰亚胺前体中的单体和低聚体聚合形成聚酰亚胺。工艺较为复杂且可控性较差。

上述方法虽然可以降低局部放电的发生，但并没有降低电场极大值处电场强度，根本问题没有得到解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于减弱局部放电效果的高压IGBT模块的制造方法，降低IGBT模块电场极大值处电场强度。本发明的另一目的在于提供一种具有局部放电减弱行为的高压IGBT模块。

为实现上述目的，本发明通过在电绝缘衬底上下导电层之间淀积半导体氢化非晶薄膜以降低导电层与电绝缘衬底边界处电场强度，降低IGBT模块局部放电视在电荷，提高模块局部放电通过率。

具体的，本发明提供如下技术方案：