目前,功率器件和模組均採用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結構。圖1為普通igbt模組的解剖圖。
圖1 igbt模組結構示意圖
從上圖本文可以看出,igbt模組共由7層結構構成,大致可以分成三部分:晶元,dbc和基板。每部分之間由焊錫連線而成。
本文知道igbt是在閘流體的基礎上發展而來,但與傳統的閘流體相比,igbt模組省去了內部的陰極和陽極金屬層,分別由晶元表面引出的焊線及dbc上層銅板代替。除此之外,原先的鎳金屬緩衝層也被去掉了,其代價是單個igbt晶元的容量減少。為了彌補這一缺陷,本文需要在dbc板上安置更多的igbt晶元[8]。
igbt模組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組內部用來改善器件相關熱效能的矽膠。他們的熱膨脹係數以及熱導率存在很大的差異,在器件的工作過程中會出現意想不到的問題。
物理上,熱導率代表了物體導熱性能的大小。在igbt模組中,涉及到的材料,其熱導率繪成柱形圖如下：
圖2材料導熱係數柱形圖
熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion, cte)是指物體在單位溫度**積的變化,其國際單位為k-1。對於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繪出出了模組內幾種材料的熱膨脹係數。
圖3材料的熱膨脹係數
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,它在模組內部形成的有機薄膜會產生較大的寄生電容,進而影響器件的部分效能。
除了材料的選擇,事實上,igbt模組內部每層材料的厚度也有其規範。傳統的igbt模組裡,陶瓷的主要成分為al2o3,基板採用銅材料;在高壓igbt模組裡,dbc內的陶瓷被aln所取代;後期,高壓igbt模組又有所改進,主要變化在於使用碳化矽鋁取代原先的銅基板。
表1 不同igbt模組各層材料的厚度單位:mm
當然,在特定的場合,所需的igbt模組內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,後來的設計尺寸為0.
38mm；再有對於一些需要承受更大高壓的igbt模組,它內部氮化鋁陶瓷的厚度達到1mm。
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