IT模塊的材料參數(shù)

1、IGBT模塊的材料參數(shù)目前 , 功率器件和模塊均采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結(jié)構(gòu)。圖 1 為普通 IGBT 模塊的解剖圖。圖 1 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)示意圖從上圖本文可以看出,IGBT 模塊共由 7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成 , 大致可以分成三部分 : 芯片 ,DBC和基板。 每部分之間由焊錫連接而成。 本文知道 IGBT 是在晶閘管的基礎(chǔ)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(bǔ)這一缺陷 , 本文需要在 DBC板上安置

2、更多的 IGBT 芯片 8 。IGBT模塊是由不同的材料層構(gòu)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(guān)熱性能的硅膠。他們的熱膨脹系數(shù)以及熱導(dǎo)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(dǎo)率代表了物體導(dǎo)熱性能的大小。在 IGBT 模塊中 , 涉及到的材料 , 其熱導(dǎo)率繪成柱形圖如下：圖 2 材料導(dǎo)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(jié)構(gòu)的功率器件 , 它在正常工作下溫度很高 , 因

3、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(jìn)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(jī)材料的引入可以使接合線不被腐蝕 , 還有較高的擊穿場強(qiáng) , 然而 ,它在模塊內(nèi)部形成的有機(jī)薄膜會產(chǎn)生較大的寄生電容 , 進(jìn)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 Al 2 O3 , 基板采用銅材料 ; 在高壓IGBT模塊里 ,DBC內(nèi)的陶瓷被 AlN 所取代 ; 后期 , 高壓 IGBT模塊又有所改進(jìn) , 主要變化在于使用碳化硅鋁取代原先的銅基板。表 1 不同 IGBT 模塊各層材料的厚度單位 :mmAl O 陶AlN 陶瓷 ,CuAlN 陶瓷 ,AlSiC23瓷 , Cu基板基板基板焊接層 a30.050.050.05銅板0.30.30.3陶瓷板0.3810.6351.0銅板0.30.30.3焊接層 b30.050.10.1基板355散熱硅0.050.040.04膠當(dāng)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 ,