[发明专利]用于海底应用的高压功率电子模块

说明书

技术领域

本公开大体涉及高压功率模块。特别地，涉及用于海底应用的高压功率电子模块。

背景技术

诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)等的功率半导体器件已发现用在广泛应用中，例如作为用于高压应用的功率转换器中的构建块。

IGBT功率模块的示例示出在US 2014/0319669A1中，其公开了包括功率半导体芯片的功率模块。功率模块进一步包括容纳功率半导体芯片的壳体。硅凝胶将壳体内的功率半导体芯片密封。

近年来，对于将电气设施安装在从几十米到甚至几公里深度的海床上的兴趣越来越大。石油和天然气生产海底采用变频器驱动的像钻机、泵和压缩机一样的电动设备。

在将功率电子器件带到海底时，存在两个一般概念：(1)设备在压力容器中保持处于或接近大气压力；和(2)设备被加压到海底上的静水压力水平，这可能是数百巴。两个概念可以区分如下。概念(1)具有可以使用从陆上设施已知的标准电动/电子部件的优点，而缺点包括外壳所需的厚壁以承受内侧与外侧之间的压力差。厚壁使得设备沉重且昂贵。概念(2)具有外壳不需要厚壁的优点，因为容器的内侧与外侧之间的压力差远小于概念(1)。

概念类型(2)的海底模块用诸如油等的介电液体填充，以抵消海底模块外壳的变形并且以提供包含在海底模块中的电气部件之间的足够的电气绝缘。

发明内容

硅凝胶封装的功率模块理论上归因于其机械变形性而可以在高压力环境中使用。然而，实际上硅凝胶封装的功率模块不能在概念类型(2)的海底模块中使用，因为硅凝胶会溶解于介电流体中，造成功率模块失效。

环氧树脂一般可以与介电流体相容，但是一般环氧树脂外壳的问题是，在高压力环境中，归因于极端周边环境静水压力，并且因为基板和封装由不同材料制成，所以在功率模块的基板与环氧树脂封装之间的界面区域中会产生非常高的拉伸和剪切应力集中。对于用于高压应用的功率模块来说这尤其是个问题，因为这样的功率模块的物理尺寸会大于较低电压模块的物理尺寸。至此，用于高压功率模块的一般环氧树脂外壳如果在高压力环境使用将会开裂。

鉴于以上情况，本公开的一般目的是提供一种用于高压力海底应用的高压功率电子模块。

因此，根据本公开的第一方面，提供一种用于海底应用的高压功率电子模块，其中功率电子模块包括：基板，布置在基板上的功率半导体芯片，和布置在基板上且配置成封装功率半导体芯片的封装结构，其中封装结构是具有在室温下在1至20吉帕斯卡(GPa) 的范围内的弹性模量和小于20ppm/K的热膨胀系数的环氧树脂。

借助于具有上面指示的机械性质的环氧树脂的封装结构，可以提供被配置成用于在非常高的压力下、例如在几百巴的数量级的静水压力下的高压应用的功率电子模块。

根据一个实施例，热膨胀系数在10ppm/K至12ppm/K的范围内。

根据一个实施例，环氧树脂具有至少75重量％的填料含量。环氧树脂因此包括至少75重量％的填料材料。环氧树脂的这些性质将确保在宽范围的温度内、例如在室温与高达150℃之间与介电流体是相容的，并因此能够有益地在上面描述的概念类型(2)的海底模块中使用。

关于环氧树脂与介电流体是相容的意味着环氧树脂的承受介电流体而组成和性质上没有改变的能力，往往称作耐化学性，和介电流体的承受环氧树脂而没有劣化和污染的能力。

根据一个实施例，在垂直于由基板的在其上布置有功率半导体芯片的表面限定的平面的穿过封装结构的任何横截面中，封装结构具有圆形内角部。

根据一个实施例，各圆形内角部具有至少1mm的半径。

根据一个实施例，在垂直于由基板的在其上布置有功率半导体芯片的表面限定的平面的穿过封装结构的任何横截面中，封装结构具有圆形外角部。

根据一个实施例，各圆形外角部具有至少1mm的半径。

根据一个实施例，在封装结构的所述横截面中任何圆形内角部和圆形外角部由形成封装结构的外边界的倾斜线连接。

根据一个实施例，倾斜线中的至少一些与所述平面之间的外角度是钝角。

根据一个实施例，倾斜线中的至少一些与所述平面之间的外角度是至少100度。

根据一个实施例，倾斜线中的至少一些与所述平面之间的外角度是约105度。

根据一个实施例，功率电子模块被配置成在至少1700V下操作。

根据一个实施例，功率电子模块是IGBT模块。