一种绝缘垫块、半导体组件及绝缘垫块的设计方法与流程

1.本说明书一个或多个实施例涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种绝缘垫块、半导体组件及绝缘垫块的设计方法。


背景技术：

2.应用于大功率组件中的绝缘垫块大多由环氧或酚醛层压布板以及酚醛塑料等材料制成，能够起到高压绝缘及力的传递作用。由于大功率组件使用工况的差异性，考虑环境等级对绝缘性能的影响，绝缘垫块的放电间隙需做规范设计，爬电距离需做冗余设计，而现有的绝缘垫块，结构单一，无法根据实际工况进行结构设计。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种绝缘垫块、半导体组件及绝缘垫块的设计方法，能够根据实际工况进行结构设计。
4.基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种绝缘垫块，包括：
5.本体，所述本体的表面开有至少一个具有第一深度的第一凹槽和至少一个具有第二深度的第二凹槽，所述第一深度与所述第二深度不同。
6.可选的，所述第一深度小于所述第二深度；所述第一凹槽设置于所述绝缘垫块的上方，所述第二凹槽设置于所述绝缘垫块的下方；或者，所述第一凹槽设置于所述绝缘垫块的下方，所述第二凹槽设置于所述绝缘垫块的上方。
7.可选的，所述本体的上表面设有用于与传力部件连接的定位槽。
8.可选的，所述本体的下表面设有用于与台面接触部件连接的台面。
9.本说明书实施例还提供一种半导体组件，包括所述的绝缘垫块。
10.本说明书实施例还提供一种绝缘垫块的设计方法，所述绝缘垫块包括本体，所述本体的表面开有至少一个具有第一深度的第一凹槽和至少一个具有第二深度的第二凹槽，所述第一深度与所述第二深度不同；所述本体的上表面设有用于与传力部件连接的定位槽；所述本体的下表面设有用于与台面接触部件连接的台面；所述设计方法包括：
11.根据所述台面接触部件的尺寸确定所述台面的直径d2；
12.根据所述台面的直径d2确定所述第一凹槽底面的直径d3；
13.根据电气间隙要求确定所述绝缘垫块的厚度b；
14.根据所述传力部件的尺寸确定所述定位槽的直径d4；
15.根据所述台面的直径d2、所述定位槽的直径d4和所述绝缘垫块的厚度b，确定所述第二凹槽底面的直径d5。
16.可选的，所述设计方法还包括：
17.根据半导体组件的压接件尺寸确定所述绝缘垫块的最大直径d1。
18.可选的，所述根据所述台面的直径d2、所述定位槽的直径d4和所述绝缘垫块的厚度b，确定所述第二凹槽底面的直径d5，包括：
19.所述第二凹槽底面的直径d5的计算公式为：
20.d5＝(-k1
×
b2 k2
×
b k3)(d2-d4) d4
ꢀꢀ
(6)
21.其中，b为厚度系数，计算公式为：
[0022][0023]
b0为从所述绝缘垫块上所选取的目标位置所对应的厚度距离；
[0024]
关系系数k1、k2、k3根据槽深与所述厚度b的比例关系，通过应力等值线二次曲线拟合的方法确定，所述槽深为所述定位槽的直径d4和所述台面的直径d2的差值的一半。
[0025]
可选的，所述设计方法还包括：
[0026]
根据爬电距离要求和所述厚度b，确定所述第一凹槽的数量与宽度、所述第二凹槽的数量与宽度，以及所述第一凹槽对应的第一凸缘的宽度、所述第二凹槽对应的第二凸缘的宽度。
[0027]
可选的，所述绝缘垫块的实际爬电距离l为：
[0028]
l＝b 2n1
×
(d1-d3) (2n2 1)
×
(d1-d5)
ꢀꢀ
(9)
[0029]
其中，n1为所述第一凹槽的数量，n2为所述第二凹槽的数量。
[0030]
从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的绝缘垫块、半导体组件及绝缘垫块的设计方法，绝缘垫块包括本体，本体的表面开有至少一个具有第一深度的第一凹槽和至少一个具有第二深度的第二凹槽，第一深度与第二深度不同；通过深度不同的第一凹槽和第二凹槽，能够满足放电间隙和爬电距离的要求，有效增加爬电距离，同时能够减小绝缘垫块的重量；本说明书的绝缘垫块的设计方法，能够实现绝缘垫块的标准化结构设计。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为现有的绝缘垫块的部分结构示意图；
[0033]
图2为本说明书一个或多个实施例的绝缘垫块的正视图；
[0034]
图3为图2所示绝缘垫块的俯视图；
[0035]
图4为图2所示绝缘垫块的部分结构的正视图；
[0036]
图5为图4所示绝缘垫块的立体结构示意图；
[0037]
图6为本说明书一个或多个实施例的半导体组件的结构示意图；
[0038]
图7为本说明书一个或多个实施例的绝缘垫块的设计方法流程示意图；
[0039]
图8为本说明书一个或多个实施例的绝缘垫块的参数示意图；
[0040]
图9为本说明书一个或多个实施例的应力等值线示意图；
[0041]
图10为本说明书一个或多个实施例的槽深系数与厚度系数之间的关系曲线示意图。
具体实施方式
[0042]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0043]
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0044]
如图1所示，一种应用工况中，绝缘垫块100的本体10为圆柱形的垫块，表面设有若干深度一致的凹槽11，以满足放电间隙和爬电距离的要求。此种结构的绝缘垫块，结构单一，无法根据实际工况下的空间大小、限定产品重量等要求进行灵活设计，且应用于不同半导体组件时，绝缘垫块的整体尺寸各式各样，甚至相同工况的结构尺寸也不同，无法实现绝缘垫块的标准化设计和生产；另外，绝缘垫块100一般采用中心定位销定位12进行中心定位，会受加工偏差、配合公差、压力偏载等因素影响，导致半导体组件整体中心偏斜、压力偏载，影响组件性能。
[0045]
为解决上述问题，本说明书一个或多个实施例提供一种绝缘垫块，可根据实际工况利用标准的参数化设计方法设计出绝缘垫块，能够满足不同工况下的放电间隙、爬电距离等要求，且能够充分利用材料的机械性能，满足不同工况的空间、重量等要求。
[0046]
如图2-5所示，本说明书一个或多个实施例提供的绝缘垫块200包括本体20，本体20的表面开有至少一个具有第一深度的第一凹槽21和至少一个具有第二深度的第二凹槽22，第一深度与第二深度不同。本实施例的绝缘垫块200通过深度不同的第一凹槽和第二凹槽，能够满足放电间隙和爬电距离的要求，有效增加爬电距离，同时能够减小绝缘垫块的重量。
[0047]
一些实施例中，第一凹槽21与第二凹槽22在绝缘垫块200上的位置根据应力要求进行设置。例如，第一凹槽21的第一深度小于第二凹槽22的第二深度，为满足一种应力要求下的应力等值线分布，第一凹槽21设置于绝缘垫块的下方，第二凹槽22设置于绝缘垫块的上方；为满足另一种应力要求下的应力等值线分布，第一凹槽21设置于绝缘垫块的上方，第二凹槽22设置于绝缘垫块的下方。这样，本实施例的绝缘垫块能够满足不同的应力要求。
[0048]
本实施例中，本体20的上表面设有用于与传力部件30连接的定位槽24，能够通过环形的定位槽实现定位，与中心定位方式相比，能够有效降低由于尺寸公差和压装误差导致的定位偏斜和偏载等不利影响。
[0049]
本实施例中，本体20的下表面设有用于与台面接触部件40连接的台面23，能够满足绝缘垫块的应力要求，有利于改善应力分布。
[0050]
本实施例中，绝缘垫块200的表面喷涂有绝缘漆，用于提升爬电质量，降低漏电起痕指标。可选的，绝缘漆可选用清漆、阻燃漆等。
[0051]
本实施例中，绝缘垫块200由绝缘材料制成，在满足电气、结构强度的要求下，绝缘
材料可选用环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛复合材料、尼龙、聚四氟乙烯等材料。
[0052]
如图6所示，本说明书实施例还提供一种半导体组件，包括前述的绝缘垫块200。半导体组件包括传力部件30、绝缘垫块200、台面接触部件40、半导体元件4、螺杆5和压接件6。传力部件30与绝缘垫块200的定位槽24连接，绝缘垫块200的台面23与台面接触部件40接触连接，半导体元件4与台面接触部件40相连接，螺杆5用于将多个绝缘垫块200及半导体元件4串接在一起，形成串联高度h，压接件6用于压接串接在一起的绝缘垫块200及半导体元件4。
[0053]
如图7所示，本说明书实施例还提供一种绝缘垫块的设计方法，包括：
[0054]
根据台面接触部件的尺寸确定台面23的直径d2；
[0055]
根据台面23的直径d2确定第一凹槽21底面的直径d3；
[0056]
根据电气间隙要求确定绝缘垫块200的厚度b；
[0057]
根据传力部件的尺寸确定定位槽24的直径d4；
[0058]
根据台面23的直径d2、定位槽24的直径d4和绝缘垫块200的厚度b，确定第二凹槽22底面的直径d5。
[0059]
本实施例中，能够通过参数设计实现绝缘垫块200的规范化、标准化设计，从而满足不同工况下对于放电间隙、爬电距离、机械性能等方面的性能要求。
[0060]
一些实施例中，绝缘垫块的设计方法还包括：根据半导体组件的压接件尺寸确定绝缘垫块200的最大直径d1，使得绝缘垫块200能够适用于不同尺寸的半导体组件。
[0061]
以下结合具体实施例对本实施例的绝缘垫块的设计方法进行详细说明。
[0062]
如图8所示，绝缘垫块200具有可进行标准化设计的参数，包括绝缘垫块200的最大直径d1，台面23的直径d2，第一凹槽21底面的直径d3，定位槽24的直径d4，第二凹槽22底面的直径d5，绝缘垫块200的厚度b，槽深a，第一凹槽21的宽度b1，第二凹槽22的宽度b2，第一凸缘25的宽度b3，第二凸缘的宽度b4以及定位槽24的深度h。
[0063]
结合图6、8所示，对于绝缘垫块200的最大直径d1，根据半导体组件的压接件尺寸确定绝缘垫块200的最大直径d1。一些方式中，最大直径d1小于压接件的直径d，且最大直径d1与压接件的直径d的差值为第一数值，例如，第一数值的取值范围为10-25mm。
[0064]
对于台面23的直径d2，根据台面接触部件的尺寸确定台面23的直径d2。一些方式中，台面23的直径d2大于台面接触部件的直径d，且台面23的直径d2与直径d的差值为第二数值，例如，第二数值的取值范围为2-5mm。
[0065]
对于第一凹槽21底面的直径d3，根据台面23的直径d2确定第一凹槽21底面的直径d3。一些方式中，第一凹槽21底面的直径d3大于等于台面23的直径d2。
[0066]
对于槽深a，槽深a为定位槽24的直径d4和台面23的直径d2的差值的一半，即a＝(d2-d4)/2。
[0067]
对于绝缘垫块200的厚度b，根据电气间隙要求确定厚度b。一些方式中，厚度b的计算公式为：
[0068]
b＝d1 f(d
2-d1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0069]
其中，d1、d2为电气间隙标准值，f的计算公式为：
[0070][0071]
um＝uw u
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0072]
其中，um为最大电压，uw为峰值工作电压，u
t
为瞬态过电压。
[0073]
当最大电压um为仅由一个1.2
×
50μs的脉冲组成的电压时，电气间隙标准值d1为该最大电压um对应的电气间隙；当最大电压um为仅由没有任何瞬态过电压的峰值工作电压uw组成的电压时，电气间隙标准值d2为该最大电压um对应的的电气间隙。
[0074]
对于定位槽24的直径d4，根据传力部件的尺寸确定定位槽24的直径d4。对于定位槽24的深度h，根据传力部件的厚度确定定位槽24的深度h。
[0075]
一些实施方式中，传力部件的尺寸规格主要有大规格和小规格两种。根据半导体组件的压装结构，结合实验及仿真结果，按照传力临界路径，传力部件的规格与绝缘垫块的参数满足以下两种情况：对于大规格的传力部件，定位槽24的直径d4与台面23的直径d2之间的关系为：0＜d2-d4≤10mm；对于小规格的传力部件，定位槽24的直d4与台面23的直径d2之间的关系为：d2-d4＞10mm。
[0076]
一些实施方式中，可根据实际工况和半导体组件的串联高度h选取大规格的传力部件或是小规格的传力部件。一些方式中，大规格的传力部件适用于串联高度h大于4倍于厚度b(h＞4b)的情况，小规格的传力部件适用于串联高度h小于等于4倍于厚度b(h≤4b)的情况。
[0077]
对于第二凹槽22底面的直径d5，根据台面23的直径d2、定位槽24的直径d4和绝缘垫块200的厚度b，确定第二凹槽22底面的直径d5。具体的：
[0078]
第二凹槽22底面的直径d5的计算公式为：
[0079]
d5＝a
×
(d2-d4) d4
ꢀꢀ
(4)
[0080]
结合图9所示，遵循应力在材料强度极限范围内，并从首端m(定位槽24与传力部件接触的面)至末端n较完整的分布在材料受力范围内的原则，选取应力等值线并通过二次曲线拟合的方法，得到厚度系数b与槽深系数a之间的关系，公式为：
[0081]
a＝-k1
×
b2 k2
×
b k3
ꢀꢀ
(5)由公式(4)、(5)得到：
[0082]
d5＝(-k1
×
b2 k2
×
b k3)(d2-d4) d4
ꢀꢀ
(6)
[0083]
其中，k1、k2、k3均为关系系数。
[0084]
对于厚度系数b，计算公式为：
[0085][0086]
结合图9所示，以首端m上的任意一点为原点，建立以绝缘垫块的厚度方向为x轴，以槽深方向为y轴的坐标系，在该坐标系下，绝缘垫块上任意位置的坐标为o(b0，a0)，其中，b0为从原点出发沿厚度方向上的厚度距离，a0为从原点出发沿槽深方向上的槽深距离。
[0087]
对于槽深系数a，计算公式为：
[0088][0089]
对于关系系数k1、k2、k3，根据特定的槽深a与厚度b的比例关系，通过应力等值线
二次曲线拟合的方法确定。
[0090]
从绝缘垫块上选取不同的目标位置，根据目标位置对应的厚度距离b0以及确定出的厚度b，按照公式(7)，计算得到厚度系数b。其中，选取目标位置的方法是，从原点开始沿厚度方向向下依次偏移预定距离，每偏移一次所在的位置为目标位置，预定距离为第二凹槽22的宽度b2加上第二凸缘26的宽度b4，或者第一凹槽21的宽度b1加上第一凸缘25的宽度b3。
[0091]
如图10所示，一些实施方式中，当比例关系a/b＝(d2-d4)/2b＝0.3时，可确定公式(5)中的关系系数取值为：k1＝0.9315，k2＝1.9184，k3＝0。需要说明的是，比例系数的取值不做具体限定，具体取值受电气间隙和台面尺寸限制。
[0092]
一些实施例中，根据确定的绝缘垫块200的参数，可确定绝缘垫块200的实际爬电距离为：
[0093]
l＝b 2n1
×
(d1-d3) (2n2 1)
×
(d1-d5)
ꢀꢀ
(9)
[0094]
其中，l为爬电距离，n1为第一凹槽21的数量，n2为第二凹槽22的数量。
[0095]
一些方式中，根据爬电距离要求和绝缘垫块200的厚度b，确定第一凹槽21的数量n1、第一凹槽21的宽度b1、第二凹槽22的数量n2、第二凹槽22的宽度b2，以及第一凹槽21对应的第一凸缘25的宽度b3、第二凹槽22对应的第二凸缘26的宽度b4。
[0096]
本实施例的绝缘垫块的设计方法，将绝缘垫块的结构参数化，进而可根据实际工况对爬电距离、电气间隙、半导体组件的尺寸等方面的具体要求进行标准化的设计，所设计出的绝缘垫块能够适用于不同的实际工况，且能够实现绝缘垫块的标准化设计与生产。
[0097]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0098]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0099]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
[0100]
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。