IGBT模塊的結構構成示意圖分析

目前，功率器件和模塊主要采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結構。圖1為普通IGBT模塊的結構示意圖。

從上圖可以看出，IGBT模塊共由7層結構構成，大致可以分成三部分：芯片、DBC和散熱基板。每部分之間由焊錫連接而成。IGBT是在晶閘管的基礎上發(fā)展而來，但與傳統(tǒng)的晶閘管相比，IGBT模塊省去了內(nèi)部的陰極和陽極金屬層，分別由芯片表面引出的焊線及DBC上層銅板代替。除此之外，原先的鎳金屬緩沖層也被去掉了，其代價是單個IGBT芯片的容量減少。為了彌補這一缺陷，需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片。

IGBT模塊是由不同的材料層構成，如金屬、陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內(nèi)部用來改善器件相關熱性能的硅膠。它們的熱膨脹系數(shù)以及熱導率存在很大的差異，在器件的工作過程中會出現(xiàn)意想不到的問題。

物理上，熱導率代表了物體導熱性能的大小。在IGBT模塊中，涉及到的材料，其熱導率繪成柱形圖如下:

圖2 材料導熱系數(shù)柱形圖

熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion, CTE)是指物體在單位溫度下體積的變化，其國際單位為K-1。對于IGBT這種具有堆疊結構的功率器件，它在正常工作下溫度很高，因此不同的材料也會因熱脹冷縮原理產(chǎn)生不同程度的形變,進而影響器件的可靠性。圖3繪出出了模塊內(nèi)幾種材料的熱膨脹系數(shù)。

圖3 材料的熱膨脹系數(shù)

有機材料的引入可以使接合線不被腐蝕，還有較高的擊穿場強，然而，它在模塊內(nèi)部形成的有機薄膜會產(chǎn)生較大的寄生電容，進而影響器件的部分性能。

除了材料的選擇，事實上，IGBT模塊內(nèi)部每層材料的厚度也有其規(guī)范。傳統(tǒng)的IGBT模塊里，陶瓷的主要成分為Al2O3，基板采用銅材料；在高壓IGBT模塊里，DBC內(nèi)的陶瓷采用AlN，或采用可靠性更高的AMB ?Si3N4/AlN陶瓷基板；高壓IGBT模塊又有所改進，使用碳化硅鋁替代原先的銅基板。

表1 不同IGBT模塊各層材料的厚度 : ?單位:mm

當然，在特定的場合，所需的IGBT模塊內(nèi)部材料厚度也不盡相同。比方說，原先的DBC陶瓷厚度為0.63mm，但為了減少器件的熱阻，后來的設計尺寸為0.38mm；再有對于一些需要承受更大高壓的IGBT模塊，它內(nèi)部氮化鋁陶瓷的厚度達到1mm。

編輯：黃飛

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