半導(dǎo)體IGBT模塊的詳解

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IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

一、 什么是IGBT模塊

IGBT 模塊是由 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的 IGBT 模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。

二、 IGBT模塊的特點(diǎn)與市場

IGBT 模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的 IGBT 也指 IGBT 模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；IGBT 是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

三、 IGBT 模塊的制造工藝和流程

生產(chǎn)制造流程：

絲網(wǎng)印刷? 自動(dòng)貼片?真空回流焊接?超聲波清洗?缺陷檢測（X 光）?自動(dòng)引線鍵合?激光打標(biāo)?殼體塑封?殼體灌膠與固化?端子成形?功能測試

IGBT模塊封裝是將多個(gè) IGBT 集成封裝在一起，以提高 IGBT 模塊的使用壽命和可靠性，體積更小、效率更高、可靠性更高是市場對(duì) IGBT 模塊的需求趨勢，這就有待于 IGBT模塊封裝技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用。目前流行的 IGBT 模塊封裝形式有引線型、焊針型、平板式、圓盤式四種，常見的模塊封裝技術(shù)有很多，各生產(chǎn)商的命名也不一樣，如英飛凌的 62mm 封裝、TP34、DP70 等等。

IGBT 模塊有 3 個(gè)連接部分：硅片上的鋁線鍵合點(diǎn)、硅片與陶瓷絕緣基板的焊接面、陶瓷絕緣基板與銅底板的焊接面。這些接點(diǎn)的損壞都是由于接觸面兩種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力和材料的熱惡化造成的。

IGBT 模塊封裝技術(shù)很多，但是歸納起來無非是散熱管理設(shè)計(jì)、超聲波端子焊接技術(shù)和高可靠錫焊技術(shù)：

（1）散熱管理設(shè)計(jì)方面，通過采用封裝的熱模擬技術(shù)，優(yōu)化了芯片布局及尺寸，從而在相同的ΔTjc 條件下，成功實(shí)現(xiàn)了比原來高約 10%的輸出功率。

（2）超聲波端子焊接技術(shù)可將此前使用錫焊方式連接的銅墊與銅鍵合引線直接焊接在一起。該技術(shù)與錫焊方式相比，不僅具備高熔點(diǎn)和高強(qiáng)度，而且不存在線性膨脹系數(shù)差，可獲得較高的可靠性。

（3）高可靠性錫焊技術(shù)。普通 Sn-Ag 焊接在 300 個(gè)溫度周期后強(qiáng)度會(huì)降低 35%，而 Sn-Ag-In 及 Sn-Sb 焊接在相同周期之后強(qiáng)度不會(huì)降低。這些技術(shù)均“具備較高的高溫可靠性”。

IGBT模塊封裝流程：

一次焊接?一次邦線?二次焊接?二次邦線?組裝?上外殼、涂密封膠?固化?灌硅凝膠?老化篩選。這些流程不是固化的，要看具體的模塊，有的可能不需要多次焊接或邦線，有的則需要，有的可能還有其他工序。上面也只是一些主要的流程工藝，其他還有一些輔助工序，如等離子處理，超聲掃描，測試，打標(biāo)等等。

IGBT 模塊封裝的作用 IGBT 模塊封裝采用了膠體隔離技術(shù)，防止運(yùn)行過程中發(fā)生爆炸;第二是電極結(jié)構(gòu)采用了彈簧結(jié)構(gòu)，可以緩解安裝過程中對(duì)基板上形成開裂，造成基板的裂紋;第三是對(duì)底板進(jìn)行加工設(shè)計(jì)，使底板與散熱器緊密接觸，提高了模塊的熱循環(huán)能力。

對(duì)底板設(shè)計(jì)是選用中間點(diǎn)設(shè)計(jì)，在我們規(guī)定的安裝條件下，它的幅度會(huì)消失，實(shí)現(xiàn)更好的與散熱器連接。后面安裝過程我們看到，它在安裝過程中發(fā)揮的作用。產(chǎn)品性能，我們應(yīng)用 IGBT 過程中，開通過程對(duì) IGBT 是比較緩和的，關(guān)斷過程中是比較苛刻。大部分損壞是關(guān)斷造成超過額定值。

四、 IGBT模塊封裝過程中的技術(shù)詳解

第一點(diǎn)說到焊接技術(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的導(dǎo)熱性能，我們?cè)谶M(jìn)行芯片焊接和進(jìn)行DBC基板焊接的時(shí)候，焊接質(zhì)量就直接影響到運(yùn)行過程中的傳熱性，通過真空焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)的焊接?？梢钥吹?DBC 和基板的空洞率。這樣的就不會(huì)形成熱積累，不會(huì)造成 IGBT 模塊的損壞。

第二種就是鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變形。鍵合的作用主要是實(shí)現(xiàn)電氣連接。在 600 安和1200 安大電流情況下，IGBT 實(shí)現(xiàn)了所有電流，鍵合的長度就非常重要，陷進(jìn)決定模塊大小，電流實(shí)現(xiàn)參數(shù)的大小。運(yùn)用過程中，如果鍵合陷進(jìn)、長度不合適，就會(huì)造成電流分布不均勻，容易造成 IGBT 模塊的損壞。外殼的安裝，因?yàn)?IGBT 本身芯片是不直接與空氣等環(huán)境接觸，實(shí)現(xiàn)絕緣性能，主要是通過外殼來實(shí)現(xiàn)的。外殼就要求在選材方面需要它具有耐高溫、不易變形、防潮、防腐蝕等特性。

第三是罐封技術(shù)，如果 IGBT 應(yīng)用在高鐵、動(dòng)車、機(jī)車上，機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，環(huán)境是非常惡劣的，我們可能會(huì)遇到下雨天，遇到潮濕、高原，或者灰塵比較大，如何實(shí)現(xiàn)IGBT 芯片與外界環(huán)境的隔離，實(shí)現(xiàn)很好運(yùn)行的可靠性，它的罐封材料起到很重要的作用。就要求選用性能穩(wěn)定無腐蝕，具有絕緣、散熱等能力，膨脹率小、收縮率小的材料。我們大規(guī)模封裝的時(shí)候，填充材料的部分加入了緩沖層，芯片運(yùn)行過程中不斷加熱、冷卻。在這個(gè)過程中如果填充材料的熱膨脹系數(shù)與外殼不一致，那么就有可能造成分層的現(xiàn)象，在IGBT 模塊中間加入一種類似于起緩沖作用的填充物，可以防止分層現(xiàn)象出現(xiàn)。

第四是質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，質(zhì)量控制所有完成生產(chǎn)后的大功率 IGBT，需要對(duì)各方面性能進(jìn)行試驗(yàn)，這也是質(zhì)量保證的根本，可以通過平面設(shè)施，對(duì)底板進(jìn)行平整度進(jìn)行測試，平整度在 IGBT 安裝以后，所有熱量散發(fā)都是底板傳輸?shù)缴崞?。平面度越好，散熱器接觸性能越好，導(dǎo)熱性能越好。第二是推拉測試，對(duì)鍵合點(diǎn)的力度進(jìn)行測試。第三硬度測試儀，對(duì)主電極的硬度，不能太硬、也不能太軟。超聲波掃描，主要對(duì)焊接過程，焊接以后的產(chǎn)品質(zhì)量的空洞率做一個(gè)掃描。這點(diǎn)對(duì)于導(dǎo)熱性也是很好的控制。IGBT 模塊電氣方面的監(jiān)測手段，主要是監(jiān)測 IGBT 模塊它的參數(shù)、特性是否能滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，第二絕緣測試。

審核編輯 黃宇