一種高頻防電磁干擾功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高頻防電磁干擾功率模塊，包括陶瓷覆銅基板、功率芯片，硅凝膠層和蓋板，上述高頻防電磁干擾功率模塊還設(shè)有電磁輻射吸收層，所述電磁輻射吸收層設(shè)置在所述硅凝膠層上部表面，由與硅凝膠機(jī)械性能相近的材料制成。本發(fā)明的高頻防電磁干擾功率模塊可以降低在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率模塊輻射型電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的影響。
【專利說(shuō)明】一種高頻防電磁干擾功率模塊
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及到電子領(lǐng)域，尤其涉及到一種高頻防電磁干擾功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0003]絕緣柵極雙極型晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)作為電壓工作型器件，具有控制方便，開(kāi)關(guān)速度快，安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，在功率逆變器領(lǐng)域的應(yīng)用正變得越來(lái)越廣泛。當(dāng)前功率逆變器的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步縮小體積，降低重量。能夠滿足這種發(fā)展需求的方法之一就是不斷提升逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。
[0004]目前，以單晶硅為技術(shù)基礎(chǔ)的IGBT器件，開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)可以達(dá)到20kHz以上。隨著IGBT器件性能的不斷提升，如溝槽型柵極和場(chǎng)中止技術(shù)的發(fā)展，以硅基IGBT為基礎(chǔ)的逆變器正在跨上50kHz開(kāi)關(guān)頻率的臺(tái)階。另一方面，以碳化硅(SiC)器件為代表的寬禁帶器件的發(fā)展，使進(jìn)一步將高壓逆變器的開(kāi)關(guān)頻率提升到IOOkHz以上成為可能。
[0005]但隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷提升，di/dt會(huì)變得越來(lái)越大，開(kāi)關(guān)電路將產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(Electromagnetic Interferenc, EMI)。在高功率密度的條件下,功率器件、驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路的距離變得非常接近，如何在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境下，有效控制EMI，并使逆變器符合電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)標(biāo)準(zhǔn)的要求，已經(jīng)成為目前逆變器設(shè)計(jì)與制造的主要挑戰(zhàn)之一。
[0006]抑制電磁輻射干擾的最有效方法是對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)體把兩個(gè)帶電體之間的電力線截?cái)啵蛴酶邔?dǎo)磁率的磁性材料把產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)的物體進(jìn)行屏蔽。根據(jù)
S.A.Schelkunoff電磁屏蔽理論，電磁波傳播到屏蔽材料表面時(shí)，將發(fā)生在入射表面的反射損耗，未被反射部分進(jìn)入屏蔽體的吸收損耗，以及在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生的多重反射損耗。吸收損耗是導(dǎo)體材料中的電偶極子和磁偶極子與電磁場(chǎng)作用的結(jié)果。吸收率與屏蔽層的厚度，導(dǎo)電率以及導(dǎo)磁率有關(guān)，這些數(shù)值越大，吸收電磁波的效果越好。因此，鎳鐵合金等具有高導(dǎo)磁率的材料，對(duì)電磁波有較好的吸收性能。另一方面，反射損耗是導(dǎo)體材料中帶電粒子與電磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，具有高導(dǎo)電率和低導(dǎo)磁率的材料，反射損耗明顯。因此，金、銀、銅等金屬是有效的電磁波反射材料。在吸收層內(nèi)部，電磁波經(jīng)過(guò)衰減后，在另一面發(fā)生反射和透射，反射波再次進(jìn)入吸收層內(nèi)部，如此經(jīng)過(guò)多次以后，使電磁波能量迅速衰減。在高頻電磁波情形下，多重反射消耗基本可以忽略不計(jì)。為了有效控制高頻功率器件的電磁干擾，可以通過(guò)合理組合不同特點(diǎn)的電磁屏蔽材料，通過(guò)反射損耗和吸收損耗的結(jié)合，取得最佳的電磁干擾吸收效果。但用于電場(chǎng)屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效，如果屏蔽電場(chǎng)的導(dǎo)體不能良好接地，屏蔽電場(chǎng)的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用，反而對(duì)電場(chǎng)輻射干擾起到接力賽的效果，因?yàn)殡妶?chǎng)也會(huì)通過(guò)感應(yīng)使屏蔽導(dǎo)體帶電。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高頻防電磁干擾功率模塊，可以有效降低功率模塊電磁干擾，能夠使功率模塊在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，而在電磁干擾特性上仍符合逆變器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)本發(fā)明制作的適合高頻(50kHz以上)應(yīng)用的功率模塊，為逆變裝置的小型化提供了可行條件，同時(shí)也為新型寬禁帶功率模塊，如碳化硅(SiC)功率模塊在更高開(kāi)關(guān)頻率下的可靠工作，提供了保障。
[0008]本發(fā)明公開(kāi)了一種高頻防電磁干擾功率模塊，包括陶瓷覆銅基板、功率芯片，硅凝膠層和蓋板，所述高頻防電磁干擾功率模塊還設(shè)有電磁輻射吸收層，所述電磁輻射吸收層設(shè)置在所述硅凝膠層上部表面，由與硅凝膠機(jī)械性能相近的材料制成。
[0009]進(jìn)一步的，在所述電磁輻射吸收層上方、間隔一段空間處，設(shè)有用于導(dǎo)電的電磁輻射反射層。
[0010]進(jìn)一步的，電磁輻射吸收層與所述硅凝膠層結(jié)合在一起。
[0011]進(jìn)一步的，電磁輻射吸收層為加入鐵鎳合金粉末的硅凝膠層。
[0012]進(jìn)一步的，電磁輻射反射層設(shè)置在所述蓋板中，通過(guò)物理模壓的方式與所述蓋板組合在一起。
[0013]進(jìn)一步的，電磁福射反射層的材質(zhì)是銅或銀或招，或者是銅銀或銅招或銀招或銅銀招合金。
[0014]進(jìn)一步的，電磁輻射反射層是薄片狀材料或者網(wǎng)狀材料。
[0015]進(jìn)一步的，電磁輻射反射層接地。
[0016]進(jìn)一步的，電磁輻射反射層通過(guò)延伸出蓋板的接地片進(jìn)行接地，或者通過(guò)將接地片與高頻防電磁干擾功率模塊接地的引線端子直接連接的方式進(jìn)行接地。
[0017]本發(fā)明的有益效果:適合高頻應(yīng)用的低電磁干擾功率模塊，其結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用于多種不同封裝的功率模塊，尤其是在高頻、高功率密度應(yīng)用條件下的功率模塊，以降低在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率模塊輻射型電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的影響。進(jìn)一步，本發(fā)明提供了將此反射層物理接地的方法。因此，反射層可以通過(guò)接地的方式，取得更好的電磁屏蔽效果。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的電磁輻射在高頻防電磁干擾功率模塊中吸收和反射的過(guò)程示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例在高頻防電磁干擾功率模塊內(nèi)部施加電磁輻射吸收層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為依據(jù)本發(fā)明在高頻防電磁干擾功率模塊的蓋板結(jié)構(gòu)中，施加可接地的電磁輻射吸收層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為依據(jù)本發(fā)明在高頻防電磁干擾功率模塊內(nèi)部施加電磁輻射吸收層的同時(shí)，在蓋板結(jié)構(gòu)中，施加可接地的電磁輻射反射的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中，1，金屬底板；2，反面銅層；3，陶瓷絕緣層；4，正面銅層；5，焊料層；6，功率芯片-J，內(nèi)部連線；8，娃凝膠層；9，電磁福射吸收層；10，模塊內(nèi)部空間；11，蓋板；12，電磁輻射反射層；13，殼體；14，引線端子；15，陶瓷覆銅基；100，高頻防電磁干擾功率模塊。
[0020]【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
如圖1-4所示，本發(fā)明提供了一種高頻防電磁干擾功率模塊100，包括，陶瓷覆銅基板15、功率芯片6，硅凝膠層8、蓋板11，電磁輻射吸收層9，其中，陶瓷覆銅基板15由兩側(cè)的反面銅層2、正面銅層4和中間的陶瓷絕緣層3組成，電磁輻射吸收層9設(shè)置在硅凝膠層8上部表面，電磁輻射吸收層9與硅凝膠層8結(jié)合在一起，由與硅凝膠機(jī)械性能相近的材料制成，例如:電磁輻射吸收層9可以為加入鐵鎳合金粉末的硅凝膠。高頻防電磁干擾功率模塊還包括電磁輻射反射層12，對(duì)電磁輻射進(jìn)行反射和吸收，電磁輻射反射層12設(shè)置在所述電磁福射吸收層9上方、間隔一段空間處。電磁福射反射層12可以導(dǎo)電，電磁福射反射層12可以設(shè)置在蓋板11中，而電磁輻射反射層12通過(guò)物理模壓的方式與蓋板11組合在一起。此電磁輻射反射層12材質(zhì)可以是銅或銀或鋁，或者是銅銀或銅鋁或銀鋁或銅銀鋁合金，此電磁輻射反射層12可以是薄片狀材料，也可以是網(wǎng)狀材料。此電磁輻射反射層12以模壓方式，可以固定在蓋板11的底面、中間或者表面的位置，而此層的厚度不超過(guò)0.5毫米。電磁輻射反射層12可以提供接地屏蔽，其接地屏蔽的方式有多種，例如:通過(guò)專門(mén)延伸出蓋板的專門(mén)接地片進(jìn)行接地，也可以通過(guò)將接地片與模塊接地的引線端子直接連接的方式來(lái)達(dá)到接地的目的。
[0022]如圖2和3所示，一種實(shí)施方式中，高頻防電磁干擾功率模塊100包括金屬底板1，金屬底板I可以接地，而陶瓷覆銅基板15的反面銅層2通過(guò)焊料與金屬底板I相連，陶瓷覆銅基板的正面銅層4通過(guò)焊料層5焊有功率芯片6，模塊100具有絕緣的塑膠殼體13，內(nèi)部灌封硅凝膠以保護(hù)功率芯片6和它們的連接線7。模塊100內(nèi)部硅凝膠層8的表面是電磁輻射吸收層9，為具有硅凝膠機(jī)械性能相近的電磁輻射吸收層。此層材料的厚度不超過(guò)
2.0毫米，以自粘特性與硅凝膠結(jié)合在一起，在功率模塊的整體工作溫度范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂與掉落。
[0023]如圖4所示，另一種實(shí)施方式中，高頻防電磁干擾功率模塊100不設(shè)金屬底板，此時(shí)模塊100的底面為陶瓷覆銅基板3的反面銅層2，陶瓷覆銅基板15的正面銅層4通過(guò)焊料層5焊有功率芯6片，模塊100具有絕緣的塑膠殼體13，內(nèi)部灌封硅凝膠以保護(hù)功率芯片6和它們的連接線7。模塊100內(nèi)部硅凝膠層的表面是吸收層9，具有硅凝膠機(jī)械性能相近，電磁輻射吸收層9厚度在2.0毫米以內(nèi)。
[0024]具體的，如圖1所示，本發(fā)明的電磁輻射在高頻防電磁干擾功率模塊中吸收和反射的過(guò)程，電磁輻射被電磁輻射吸收層9吸收了，沒(méi)有被吸收的電磁輻射再被電磁反射層12反射和吸收。如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例中高頻防電磁干擾功率模塊100是一種功率模塊，在該功率模塊的內(nèi)腔進(jìn)行硅凝膠灌封以后，然后在高溫進(jìn)行固化。固化之后，在硅凝膠層8的與蓋板11之間，模塊100內(nèi)腔仍留有一部分空間。而電磁輻射吸收層9，則施加在硅凝膠層8的表面，成為模塊內(nèi)部的一個(gè)組成部分。固化后的硅凝膠，具有表面自粘特性，同時(shí)由于其極低的楊氏模量和極低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，使它能在很寬的溫度范圍內(nèi)可靠工作。因此，電磁輻射吸收層9的特性，必須與模塊所使用的硅凝膠特性接近。電磁輻射吸收層9的材料就是以硅凝膠本身為基體，添加對(duì)電磁波有良好吸收效果的鐵鎳合金粉末，并且在滿足以下條件時(shí)起到對(duì)模塊內(nèi)部由于功率芯片高速開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生的電磁干擾的有效吸收，具體表現(xiàn)在:1.良好的流動(dòng)性(低粘度)，在硅凝膠表面能迅速鋪展，2.與下方硅凝膠層相似的固化溫度，3.固化后的吸收層與硅凝膠結(jié)合良好，并且與硅凝膠層具有類(lèi)似的機(jī)械特性和溫度反應(yīng)特性，4.固化后的電磁輻射吸收層，對(duì)下方的硅凝膠層的性能沒(méi)有影響。當(dāng)然，其它與硅凝膠性質(zhì)接近的高分子材料，也可以用來(lái)作為吸收層的基體材料。
[0025]請(qǐng)參照?qǐng)D3所示，其高頻防電磁干擾功率模塊100在蓋板11中增加導(dǎo)電的電磁輻射反射層12，此層材料為高導(dǎo)電率的銅、鋁或其合金，厚度從0.1毫米至0.5毫米，與蓋板11經(jīng)過(guò)高溫，模壓在一起。為了盡可能提高對(duì)電磁輻射的屏蔽效果，此金屬層的面積，除了模塊端子引線區(qū)域，最好能夠覆蓋整個(gè)蓋板的尺寸區(qū)域。另外，為了解決在電磁輻照下此金屬層的帶電問(wèn)題，在蓋板的非引線端子區(qū)，預(yù)留了此金屬層的接地端口，可以將此電磁波吸收/反射層接到系統(tǒng)地端，從而保證對(duì)電磁輻射的最大屏蔽效能。
[0026]請(qǐng)參照?qǐng)D4所示，在高頻防電磁干擾功率模塊100中，同時(shí)施加了電磁輻射吸收層9和電磁輻射反射層12。由于雙層結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)電磁輻射的屏蔽效能SE可以大幅提高，同時(shí)，通過(guò)對(duì)屏蔽材料的選擇，可以在更寬的頻率范圍，對(duì)電磁輻射達(dá)到有效屏蔽。
[0027]以上，詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明要求保護(hù)的權(quán)利范圍并不限于此，利用了本發(fā)明的基本概念，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員對(duì)功率模塊進(jìn)行的各種變形以及改善，仍屬于本發(fā)明請(qǐng)求的權(quán)利范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高頻防電磁干擾功率模塊，包括陶瓷覆銅基板、功率芯片，硅凝膠層和蓋板，其特征在于，所述高頻防電磁干擾功率模塊還設(shè)有電磁輻射吸收層，所述電磁輻射吸收層設(shè)置在所述硅凝膠層上部表面，由與硅凝膠機(jī)械性能相近的材料制成。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，在所述電磁輻射吸收層上方、間隔一段空間處，設(shè)有用于導(dǎo)電的電磁福射反射層。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射吸收層與所述硅凝膠層結(jié)合在一起。
4.如權(quán)利要求1所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射吸收層為加入鐵鎳合金粉末的硅凝膠層。
5.如權(quán)利要求2所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射反射層設(shè)置在所述蓋板中，通過(guò)物理模壓的方式與所述蓋板組合在一起。
6.如權(quán)利要求3所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射反射層的材質(zhì)是銅或銀或招，或者是銅銀或銅招或銀招或銅銀招合金。
7.如權(quán)利要求3所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射反射層是薄片狀材料或者網(wǎng)狀材料。
8.如權(quán)利要求5所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射反射層接地。
9.如權(quán)利要求8所述的高頻防電磁干擾功率模塊，其特征在于，所述電磁輻射反射層通過(guò)延伸出蓋板的接地片進(jìn)行接地，或者通過(guò)將接地片與引線端子直接連接的方式進(jìn)行接地。
【文檔編號(hào)】H01L23/552GK103872024SQ201410055747
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】莊偉東 申請(qǐng)人:南京銀茂微電子制造有限公司