一种高频防电磁干扰功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高频防电磁干扰功率模块，包括陶瓷覆铜基板、功率芯片，硅凝胶层和盖板，上述高频防电磁干扰功率模块还设有电磁辐射吸收层，所述电磁辐射吸收层设置在所述硅凝胶层上部表面，由与硅凝胶机械性能相近的材料制成。本发明的高频防电磁干扰功率模块可以降低在高速开关过程中功率模块辐射型电磁干扰对电子设备的影响。
【专利说明】一种高频防电磁干扰功率模块
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及到电子领域，尤其涉及到一种高频防电磁干扰功率模块。
【背景技术】
[0003]绝缘栅极双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)作为电压工作型器件，具有控制方便，开关速度快，安全工作区大等优点，在功率逆变器领域的应用正变得越来越广泛。当前功率逆变器的发展趋势是进一步缩小体积，降低重量。能够满足这种发展需求的方法之一就是不断提升逆变器的开关频率。
[0004]目前，以单晶硅为技术基础的IGBT器件，开关频率已经可以达到20kHz以上。随着IGBT器件性能的不断提升，如沟槽型栅极和场中止技术的发展，以硅基IGBT为基础的逆变器正在跨上50kHz开关频率的台阶。另一方面，以碳化硅(SiC)器件为代表的宽禁带器件的发展，使进一步将高压逆变器的开关频率提升到IOOkHz以上成为可能。
[0005]但随着开关频率的不断提升，di/dt会变得越来越大，开关电路将产生严重的电磁干扰(Electromagnetic Interferenc, EMI)。在高功率密度的条件下,功率器件、驱动电路和逻辑控制电路的距离变得非常接近，如何在如此复杂的电磁环境下，有效控制EMI，并使逆变器符合电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)标准的要求，已经成为目前逆变器设计与制造的主要挑战之一。
[0006]抑制电磁辐射干扰的最有效方法是对电磁场进行屏蔽，用导体把两个带电体之间的电力线截断，或用高导磁率的磁性材料把产生干扰磁场的物体进行屏蔽。根据
S.A.Schelkunoff电磁屏蔽理论，电磁波传播到屏蔽材料表面时，将发生在入射表面的反射损耗，未被反射部分进入屏蔽体的吸收损耗，以及在屏蔽体内产生的多重反射损耗。吸收损耗是导体材料中的电偶极子和磁偶极子与电磁场作用的结果。吸收率与屏蔽层的厚度，导电率以及导磁率有关，这些数值越大，吸收电磁波的效果越好。因此，镍铁合金等具有高导磁率的材料，对电磁波有较好的吸收性能。另一方面，反射损耗是导体材料中带电粒子与电磁场相互作用的结果，具有高导电率和低导磁率的材料，反射损耗明显。因此，金、银、铜等金属是有效的电磁波反射材料。在吸收层内部，电磁波经过衰减后，在另一面发生反射和透射，反射波再次进入吸收层内部，如此经过多次以后，使电磁波能量迅速衰减。在高频电磁波情形下，多重反射消耗基本可以忽略不计。为了有效控制高频功率器件的电磁干扰，可以通过合理组合不同特点的电磁屏蔽材料，通过反射损耗和吸收损耗的结合，取得最佳的电磁干扰吸收效果。但用于电场屏蔽的导体需要良好接地才能有效，如果屏蔽电场的导体不能良好接地，屏蔽电场的导体不但起不到屏蔽作用，反而对电场辐射干扰起到接力赛的效果，因为电场也会通过感应使屏蔽导体带电。
【发明内容】
[0007]为解决上述现有技术的问题，本发明提出了一种高频防电磁干扰功率模块，可以有效降低功率模块电磁干扰，能够使功率模块在更高的开关频率下工作，而在电磁干扰特性上仍符合逆变器的设计标准要求。根据本发明制作的适合高频(50kHz以上)应用的功率模块，为逆变装置的小型化提供了可行条件，同时也为新型宽禁带功率模块，如碳化硅(SiC)功率模块在更高开关频率下的可靠工作，提供了保障。
[0008]本发明公开了一种高频防电磁干扰功率模块，包括陶瓷覆铜基板、功率芯片，硅凝胶层和盖板，所述高频防电磁干扰功率模块还设有电磁辐射吸收层，所述电磁辐射吸收层设置在所述硅凝胶层上部表面，由与硅凝胶机械性能相近的材料制成。
[0009]进一步的，在所述电磁辐射吸收层上方、间隔一段空间处，设有用于导电的电磁辐射反射层。
[0010]进一步的，电磁辐射吸收层与所述硅凝胶层结合在一起。
[0011]进一步的，电磁辐射吸收层为加入铁镍合金粉末的硅凝胶层。
[0012]进一步的，电磁辐射反射层设置在所述盖板中，通过物理模压的方式与所述盖板组合在一起。
[0013]进一步的，电磁福射反射层的材质是铜或银或招，或者是铜银或铜招或银招或铜银招合金。
[0014]进一步的，电磁辐射反射层是薄片状材料或者网状材料。
[0015]进一步的，电磁辐射反射层接地。
[0016]进一步的，电磁辐射反射层通过延伸出盖板的接地片进行接地，或者通过将接地片与高频防电磁干扰功率模块接地的引线端子直接连接的方式进行接地。
[0017]本发明的有益效果:适合高频应用的低电磁干扰功率模块，其结构可以运用于多种不同封装的功率模块，尤其是在高频、高功率密度应用条件下的功率模块，以降低在高速开关过程中功率模块辐射型电磁干扰对电子设备的影响。进一步，本发明提供了将此反射层物理接地的方法。因此，反射层可以通过接地的方式，取得更好的电磁屏蔽效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的电磁辐射在高频防电磁干扰功率模块中吸收和反射的过程示意图；
图2为本发明实施例在高频防电磁干扰功率模块内部施加电磁辐射吸收层的结构示意图；
图3为依据本发明在高频防电磁干扰功率模块的盖板结构中，施加可接地的电磁辐射吸收层的结构示意图；
图4为依据本发明在高频防电磁干扰功率模块内部施加电磁辐射吸收层的同时，在盖板结构中，施加可接地的电磁辐射反射的结构示意图。
[0019]图中，1，金属底板；2，反面铜层；3，陶瓷绝缘层；4，正面铜层；5，焊料层；6，功率芯片-J，内部连线；8，娃凝胶层；9，电磁福射吸收层；10，模块内部空间；11，盖板；12，电磁辐射反射层；13，壳体；14，引线端子；15，陶瓷覆铜基；100，高频防电磁干扰功率模块。
[0020]【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
如图1-4所示，本发明提供了一种高频防电磁干扰功率模块100，包括，陶瓷覆铜基板15、功率芯片6，硅凝胶层8、盖板11，电磁辐射吸收层9，其中，陶瓷覆铜基板15由两侧的反面铜层2、正面铜层4和中间的陶瓷绝缘层3组成，电磁辐射吸收层9设置在硅凝胶层8上部表面，电磁辐射吸收层9与硅凝胶层8结合在一起，由与硅凝胶机械性能相近的材料制成，例如:电磁辐射吸收层9可以为加入铁镍合金粉末的硅凝胶。高频防电磁干扰功率模块还包括电磁辐射反射层12，对电磁辐射进行反射和吸收，电磁辐射反射层12设置在所述电磁福射吸收层9上方、间隔一段空间处。电磁福射反射层12可以导电，电磁福射反射层12可以设置在盖板11中，而电磁辐射反射层12通过物理模压的方式与盖板11组合在一起。此电磁辐射反射层12材质可以是铜或银或铝，或者是铜银或铜铝或银铝或铜银铝合金，此电磁辐射反射层12可以是薄片状材料，也可以是网状材料。此电磁辐射反射层12以模压方式，可以固定在盖板11的底面、中间或者表面的位置，而此层的厚度不超过0.5毫米。电磁辐射反射层12可以提供接地屏蔽，其接地屏蔽的方式有多种，例如:通过专门延伸出盖板的专门接地片进行接地，也可以通过将接地片与模块接地的引线端子直接连接的方式来达到接地的目的。
[0022]如图2和3所示，一种实施方式中，高频防电磁干扰功率模块100包括金属底板1，金属底板I可以接地，而陶瓷覆铜基板15的反面铜层2通过焊料与金属底板I相连，陶瓷覆铜基板的正面铜层4通过焊料层5焊有功率芯片6，模块100具有绝缘的塑胶壳体13，内部灌封硅凝胶以保护功率芯片6和它们的连接线7。模块100内部硅凝胶层8的表面是电磁辐射吸收层9，为具有硅凝胶机械性能相近的电磁辐射吸收层。此层材料的厚度不超过
2.0毫米，以自粘特性与硅凝胶结合在一起，在功率模块的整体工作温度范围内，不会发生开裂与掉落。
[0023]如图4所示，另一种实施方式中，高频防电磁干扰功率模块100不设金属底板，此时模块100的底面为陶瓷覆铜基板3的反面铜层2，陶瓷覆铜基板15的正面铜层4通过焊料层5焊有功率芯6片，模块100具有绝缘的塑胶壳体13，内部灌封硅凝胶以保护功率芯片6和它们的连接线7。模块100内部硅凝胶层的表面是吸收层9，具有硅凝胶机械性能相近，电磁辐射吸收层9厚度在2.0毫米以内。
[0024]具体的，如图1所示，本发明的电磁辐射在高频防电磁干扰功率模块中吸收和反射的过程，电磁辐射被电磁辐射吸收层9吸收了，没有被吸收的电磁辐射再被电磁反射层12反射和吸收。如图2所示，本发明实施例中高频防电磁干扰功率模块100是一种功率模块，在该功率模块的内腔进行硅凝胶灌封以后，然后在高温进行固化。固化之后，在硅凝胶层8的与盖板11之间，模块100内腔仍留有一部分空间。而电磁辐射吸收层9，则施加在硅凝胶层8的表面，成为模块内部的一个组成部分。固化后的硅凝胶，具有表面自粘特性，同时由于其极低的杨氏模量和极低的玻璃化转变温度(Tg)，使它能在很宽的温度范围内可靠工作。因此，电磁辐射吸收层9的特性，必须与模块所使用的硅凝胶特性接近。电磁辐射吸收层9的材料就是以硅凝胶本身为基体，添加对电磁波有良好吸收效果的铁镍合金粉末，并且在满足以下条件时起到对模块内部由于功率芯片高速开关而产生的电磁干扰的有效吸收，具体表现在:1.良好的流动性(低粘度)，在硅凝胶表面能迅速铺展，2.与下方硅凝胶层相似的固化温度，3.固化后的吸收层与硅凝胶结合良好，并且与硅凝胶层具有类似的机械特性和温度反应特性，4.固化后的电磁辐射吸收层，对下方的硅凝胶层的性能没有影响。当然，其它与硅凝胶性质接近的高分子材料，也可以用来作为吸收层的基体材料。
[0025]请参照图3所示，其高频防电磁干扰功率模块100在盖板11中增加导电的电磁辐射反射层12，此层材料为高导电率的铜、铝或其合金，厚度从0.1毫米至0.5毫米，与盖板11经过高温，模压在一起。为了尽可能提高对电磁辐射的屏蔽效果，此金属层的面积，除了模块端子引线区域，最好能够覆盖整个盖板的尺寸区域。另外，为了解决在电磁辐照下此金属层的带电问题，在盖板的非引线端子区，预留了此金属层的接地端口，可以将此电磁波吸收/反射层接到系统地端，从而保证对电磁辐射的最大屏蔽效能。
[0026]请参照图4所示，在高频防电磁干扰功率模块100中，同时施加了电磁辐射吸收层9和电磁辐射反射层12。由于双层结构的存在，对电磁辐射的屏蔽效能SE可以大幅提高，同时，通过对屏蔽材料的选择，可以在更宽的频率范围，对电磁辐射达到有效屏蔽。
[0027]以上，详细说明了本发明的优选实施例，但本发明要求保护的权利范围并不限于此，利用了本发明的基本概念，所属【技术领域】的技术人员对功率模块进行的各种变形以及改善，仍属于本发明请求的权利范围。
【权利要求】
1.一种高频防电磁干扰功率模块，包括陶瓷覆铜基板、功率芯片，硅凝胶层和盖板，其特征在于，所述高频防电磁干扰功率模块还设有电磁辐射吸收层，所述电磁辐射吸收层设置在所述硅凝胶层上部表面，由与硅凝胶机械性能相近的材料制成。
2.如权利要求1所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，在所述电磁辐射吸收层上方、间隔一段空间处，设有用于导电的电磁福射反射层。
3.如权利要求1所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射吸收层与所述硅凝胶层结合在一起。
4.如权利要求1所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射吸收层为加入铁镍合金粉末的硅凝胶层。
5.如权利要求2所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射反射层设置在所述盖板中，通过物理模压的方式与所述盖板组合在一起。
6.如权利要求3所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射反射层的材质是铜或银或招，或者是铜银或铜招或银招或铜银招合金。
7.如权利要求3所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射反射层是薄片状材料或者网状材料。
8.如权利要求5所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射反射层接地。
9.如权利要求8所述的高频防电磁干扰功率模块，其特征在于，所述电磁辐射反射层通过延伸出盖板的接地片进行接地，或者通过将接地片与引线端子直接连接的方式进行接地。
【文档编号】H01L23/552GK103872024SQ201410055747
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】庄伟东 申请人:南京银茂微电子制造有限公司