IGBT元件的电气性能、热条件决定它们的内部结构。热条件相对更重要,IGBT的存储和工作温度可以从-55-175℃(2010年)。使用的材料必须在整个温度范围内令人满意。塑料,陶瓷,金属(主要是铜和铝)和硅胶必须可靠,无论单独使用还是与其他材料结合使用的情况下,都不能损害半导体芯片。
由于IGBT器件工作的电压和电流不同,所以采用的制造方式也多种多样。除了基板、DCB和半导体,阻断电压高达1.2kV和工作电流40A的分立IGBT或IGBT模块通常采用复合组件的封装技术,并有相对应的平行解决方案。在同样的功率范围内,同等电压和电流下,也有通过硅胶固定的塑料框架封装结构。目前,制造商更倾向于后一种封装结构。老一代的IGBT模块仍然在使用,这些器件一般是塑料框架和盖板结构,然后通过硅胶固定,最后注入环氧树脂。图1给出了含有基板的标准IGBT的结构。还有一种被称为压装的改进型封装结构,常用于高性能晶闸管的封装。
图1 含有基板的标准IGBT的结构
所有IGBT模块框架的材质都是塑料,这些塑料必须满足很高的需求规范。首先,在工作温度内,封装塑料必须是机械稳定的,且抗拉强度高。另一个关键是环境温度,例如在电力牵引中,可能在-55-125℃的环境温度下工作。此外,特别是在中低功率内,许多IGBT元件直接焊接到印制电路板上。在焊接过程中,IGBT部件的焊接接头有可能导致塑料框架上的温度超过250℃。IGBT部件的封装必须能够保证在焊接过程中不被损坏。第三,塑料必须绝缘。为了在工作过程中保持足够的爬电距离(封装中)和承受高度电磁污染,需要高CTI值。
采用的塑料还必须符合国际标准和规范。虽然电力电子组件的制造商分布在世界各地，但是他们的产品必须符合NFF、UL、CSA、CCC、IEC、EN和VDE标准。例如,在电力牵引中使用的IGBT模块必须符合NFF 16101(法国防火标准)。根据UL 94 VO,所有塑料即使很薄也必须具有自熄性。它们还必须符合UL1557(半导体器件电气绝缘标准)、IEC 60749(机械和环境试标准)、IEC 60747-15(分立器件-第15部分绝缘半导体器件)。最后但同样重要的是,塑料,特别是在中低功率应用中,必须符合RoHs规范。该规范规定,这些材料不能含有卤和氧化锑等害物质。理想情况下,所使用的塑料必须不吸收任何水分,并且能够被打印上标签(例如激光打标)。聚合物塑料可以满足这些严格的要求。有些标准聚合物无法满足这些要求，如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)及PVC(聚氯乙烯),所以无法应用于电力电子器件中。有些塑料如PPS(聚苯硫醚)和PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)可用于标准IGBT模块和IPM中。PPS是一种耐高温的热塑性材料,在持续使用情况下可以承受240℃高温,短时内(例如在焊接时)可以承受270℃的高温而不会损坏。PPS作为具有高CTI值的非导体,其有优异的电气绝缘性。PBT是另一种热塑性材料,可以工作在-50-150℃,这也是电力电子器件典型的工作温度范围,它也能承受高达280℃的峰值温度。PBT是一种刚性材料,具有很高的硬度,并且不容易变形。此外,它具有摩擦系数大，耐磨性很强及电绝缘性良好等特点。但是,相比于PPS,PBT的CI值较低。
PPA(聚邻苯二甲)、PA(聚酰胺)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料越来越多地应用于2.5~6.5kV的高压IGBT模块中。这些塑料符合NFF 16101标准,具有很好的电气绝缘性,且CTI值大于400。
在小功率的应用中,IGBT模块(DCB或IMS模块)通常没有基板。而在大中功率的应用中,IGBT几乎都有一个基板。基板通常是用铜制成的,厚度为3~8mm,同时具有3~10µm的镍镀层。当然也可以用其他替代性的材料作为基板,比如ASIC(碳化硅铝),或并不频繁使用的Cu/Mo(铜钼) 合金。图1给出了安装示例。
图1 安装示例
基板通常不是平坦的,而是稍微弯曲,可以是凸面或凹面。当基板随着温度的上升而膨胀时,这个有意的弯曲可以确保基板与冷却介质有最佳的热接触。这种膨胀不同于DCB的膨胀,内外温差会导致基板的热胀冷缩。显而易见,生产商通常的做法是优化基板与冷却介质之间的热阻,使其在高温下更小。低温下,热阻的优化是次要的。
DCB(直接覆铜)衬底,或仅仅DCB,是电力电子领域使用最广泛的衬底材料。自从IGBT模块开始制造以来,其就开始使用DCB。最初,DCB衬底只用于铜基板。如今,DCB是很多IGBT模块的解决方案,甚至没有基板的模块也需要衬底。
DCB衬底包括绝缘陶瓷及其附着的铜,这些纯铜在高温下熔化,然后通过扩散过程附着在陶瓷上,具有很强的粘合强度,如图1所示。DCB用于铜表面涂层,或再在铜表面镀镍。在焊接过程中,为了防止半导体芯片位置发生偏移,有的厂家还在DCB上增加了层阻焊剂。常用的陶瓷主要有氧化铝(Al2O3),氮化铝(AIN),有时候用氮化硅(Si3N4)。衬底在IGBT模块中扮演着重要的角色,因为相比于其他绝缘材料,它们具有更低的热阻(氧化铝:24W/(m·K),氮化铝：130~180W/(m·K))和优越的比热容,且铜涂层具有良好的热传导特性。因为氧化铝(7.1ppm/K)和氮化铝(4.1 ppm/K)的热膨胀系数远低于金属和塑料的热膨胀系数,所以更适合用于硅半导体(4.0 ppm/K)的衬底,确保芯片受到更低的机械应力。由于衬底采用了纯铜,并由底板或散热器散热,所以即使对于具有高达3.6kA额定电流的IGBT模块来说,DCB也具有足够的电流容量。可以在印制电路板同一层上实现布局,首先在表面镀镍和镍/金合金,然后增加阻焊层。
原文始发于微信公众号（赛伍技术Cybrid）：赛伍百科 — IGBT模块散热基板
