IGBT模块的材料参数通信电子电子电气自动化_通信电子-电子电气自动化.pdf

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1、IGBT 模块的材料参数 目前，功率器件和模块均采用引线键合的互连工艺和平面封装结构O 图1为 图1 IGBT模块结构示意图 普通IGBT模块的解剖图 从上图本文可以看出，IGBT模块共由7层结构构成，大致可以分成 三部分：芯 片,DBC和基板。每部分之间由焊锡连接而成。本文知道IGBT是在晶闸 管的基础上发展而来，但与传统的晶闸管相比,IGBT模块省去了内部 的阴极和阳极金属层分别由芯片表面引出的焊线及DBC层铜板代替。除此之外，原先的银金属缓冲层也被去掉了，其代价是单个IGBT芯 片的容量减少。为了弥补这一缺陷，本文需要在DBC板上安置更多的 IGBT芯片o IGBT模块是由不同的材料层构

2、成，如金属，陶瓷以及高分子聚合物 以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶。他们的热膨胀 系数以及热导率存在 很大的差异，在器件的工作过程中会出现意想不到的问题。物理上，热导率代表了物体导热性能的大小。在IGBT模块中，涉及到的材料，其 热导率绘成柱形图如下：图2材料导热系数柱形图 g 的解剖图从上图本文可以看出模块共由层结构构成大致可以分成三部分芯片和基板每部分之间由焊锡连接而成本文知道是在晶闸管的基础上发展而来但与传统的晶闸管相比模块省去了内部的阴极和阳极金属层分别由芯片表面引出的要在板上安置更多的芯片模块是由不同的材料层构成如金属陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相

3、关热性能的硅胶他们的热膨胀系数以及热导率存在很大的差异在器件的工作过程中会出现意想不到的问题物理上系数是指物体在单位温度下体积的变化其国际单位为功率器件它对于这种具有堆叠结构的在正常工作下温度很高因此不同的材料也会因热胀冷缩原理产生不同程度的形变进而影响器件的可靠性图绘出出了模块内几种材料的热膨胀系热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)是指物体 在单位温度下体积的变化,其国际单位为ro对于IGBT这种具有堆 叠结构的功率器件，它 在正常工作下温度很高，因此不同的材料也会因热胀冷缩原理产生不同 程度的形变，进而影响器件的可靠性。图3绘出出了模块内几

4、种材料的 热膨胀系数。图3材料的热膨胀系数 有机材料的引入可以使接合线不被腐蚀，还有较高的击穿场强，然 而，它在模块内部形成的有机薄膜会产生较大的寄生电容，进而影响 器件的部分性能。除了材料的选择，事实上,IGBT模块内部每层材料的厚度也有其规 范。传统的IGBT模块里，陶瓷的主要成分为A1 203,基板采用铜材料；在高压IGBT模块里,DBC内的陶瓷被A1N所取代;后期，高压IGBT模块 又有所改进，主要变化在于使用碳化硅铝取代原先的铜基板。表1不同IGBT模块各层材料的厚度单位:nun AL03陶瓷，Cu基板 A1N陶瓷,Cu基 板 A1N陶瓷,AlSiC基 板 焊接层a3 0.05 0.

5、05 0.05 铜板 0.3 0.3 0.3 陶瓷板 0.381 0.635 1.0 的解剖图从上图本文可以看出模块共由层结构构成大致可以分成三部分芯片和基板每部分之间由焊锡连接而成本文知道是在晶闸管的基础上发展而来但与传统的晶闸管相比模块省去了内部的阴极和阳极金属层分别由芯片表面引出的要在板上安置更多的芯片模块是由不同的材料层构成如金属陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶他们的热膨胀系数以及热导率存在很大的差异在器件的工作过程中会出现意想不到的问题物理上系数是指物体在单位温度下体积的变化其国际单位为功率器件它对于这种具有堆叠结构的在正常工作下温度很高因此不同的材

6、料也会因热胀冷缩原理产生不同程度的形变进而影响器件的可靠性图绘出出了模块内几种材料的热膨胀系铜板 0.3 0.3 0.3 焊接层b3 0.05 0.1 0.1 基板 3 5 5 散热硅胶 0.05 0.04 0.04 当然,在特定的场合，所需的IGBT模块内部材料厚度也不尽相同。比 方说，原 先的DBC陶瓷厚度为0.63mm,但为了减少器件的热阻，后来 的设计尺寸为0.38mm；再有对于一些需要承受更大高压的IGET模块,它内部氮化铝陶瓷的厚度达到1皿。的解剖图从上图本文可以看出模块共由层结构构成大致可以分成三部分芯片和基板每部分之间由焊锡连接而成本文知道是在晶闸管的基础上发展而来但与传统的晶闸管相比模块省去了内部的阴极和阳极金属层分别由芯片表面引出的要在板上安置更多的芯片模块是由不同的材料层构成如金属陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶他们的热膨胀系数以及热导率存在很大的差异在器件的工作过程中会出现意想不到的问题物理上系数是指物体在单位温度下体积的变化其国际单位为功率器件它对于这种具有堆叠结构的在正常工作下温度很高因此不同的材料也会因热胀冷缩原理产生不同程度的形变进而影响器件的可靠性图绘出出了模块内几种材料的热膨胀系