IGBT器件結(jié)構(gòu)課件

第二章IGBT器件結(jié)構(gòu)IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBTModules–Technologies,DriverandApplication1目錄312458679簡介IGBT模塊的材料電氣鍵合工藝設(shè)計(jì)理念半導(dǎo)體的內(nèi)部并聯(lián)低感設(shè)計(jì)IGBT模塊的電路拓?fù)銲GBT絕緣配合制造商概覽IGBTModules–Technologies,DriverandApplication2簡介標(biāo)準(zhǔn)IGBT的阻斷電壓和標(biāo)稱電流IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3簡介半導(dǎo)體芯片是電力電子器件的核心含有DCB（陶瓷覆銅板）襯底的電力電子器件結(jié)構(gòu)原理I-處理電流能力（容量）U-阻斷電壓P-功耗IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模塊的材料IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模塊的材料IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模塊的材料含有基板的標(biāo)準(zhǔn)IGBT的結(jié)構(gòu)塑料框架IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模塊的材料塑料框架機(jī)械特性：機(jī)械穩(wěn)定，且抗拉強(qiáng)度高。溫度特性：

環(huán)境溫度-55℃~175℃

滿足焊接溫度需求，高于250℃絕緣性能：滿足電氣絕緣需求。塑料材質(zhì)滿足要求：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模塊的材料塑料框架塑料材質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：NFF，UL，CSA，CCC，IEC，EN和VDE標(biāo)準(zhǔn)NFF16101（法國防火標(biāo)準(zhǔn)）：電力牽引UL94VO：自熄性UL1557（半導(dǎo)體器件電氣絕緣標(biāo)準(zhǔn)）IEC60749（機(jī)械和環(huán)境測試標(biāo)準(zhǔn)）IEC60747-19（分立和獨(dú)立功率半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)）RoHS規(guī)范：有害物質(zhì)規(guī)范IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模塊的材料塑料框架標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊和IPM聚合物材料PPS（聚苯硫醚）PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）高壓IGBT模塊（2.5kV-6.5kV）聚合物材料PPA（聚鄰苯二甲）PA（聚酰胺）PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication6IGBT模塊的材料襯底DCB襯底結(jié)構(gòu)DCB具有以下功能：保證電源部件和冷卻介質(zhì)之間的電氣絕緣；通過銅走線傳輸電流；保證與冷卻介質(zhì)之間良好的熱連接；保證高可靠性。IMS襯底結(jié)構(gòu)聚合物絕緣層IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7IGBT模塊的材料基板IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模塊的材料塑模材料、環(huán)氧樹脂和硅膠塑?；衔锸怯脕矸庋b小電流、低電壓的分立IGBT或IGBT模塊。封裝的模塊：阻斷電壓等級為600V，電流幾十AIGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模塊的材料塑模材料、環(huán)氧樹脂和硅膠1700V/400A目前：逐步用軟鑄造樹脂/絕緣化合物，比如硅膠代替環(huán)氧樹脂IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模塊的材料塑模材料、環(huán)氧樹脂和硅膠模塊內(nèi)的硅膠工作環(huán)境溫度-100°C~200°C以上IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9IGBT模塊的材料塑模材料、環(huán)氧樹脂和硅膠在電場內(nèi)生產(chǎn)DCB硫化銅鍍鎳的DCB可以抑制形成硫化銅，從而避免電力電子器件因?yàn)榱蚧~短路而損壞。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IGBT模塊的材料塑模材料、環(huán)氧樹脂和硅膠采用不同材料的標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊結(jié)構(gòu)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15IGBT模塊的材料EconoDUAL材料

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11電氣鍵合工藝鍵合技術(shù)：內(nèi)部鍵合半導(dǎo)體側(cè)的電氣連接外部鍵合器件和環(huán)境之間的電氣連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接系統(tǒng)焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)超聲焊接過程錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)半導(dǎo)體器件的鍵合工藝：熱壓打線（TC鍵合）；熱超聲波打線（TS鍵合）；超聲波打線（US鍵合）。IGBT和二極管之間的鋁鍵合線連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)IGBT和二極管之間的鋁鍵合線連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)鋁線和銅線框架鍵合仿真結(jié)果IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)EconoDUALTM模塊中的銅框架鍵合IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)負(fù)載端子的焊接。芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)銅和銅超聲波焊接后的熱阻和電阻降低了一半，IGBT具有更大的電流處理能力，同時(shí)降低了熱負(fù)載。輔助端子和負(fù)載端子超聲波焊接原理芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)IGBT模塊上的功率端子和輔助端子的超聲波焊接示例IGBT模塊中的超聲波焊接的截面IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)超聲波焊接接點(diǎn)（銅到銅）和框架焊接接點(diǎn)（鋁到銅）的熱分析超聲波焊接比傳統(tǒng)的鋁線鍵合可以通過更高的電流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)。芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接低溫連接用于金屬材料連接，需要在金屬材料表面涂銀或金使其防止產(chǎn)生氧化膜。涂層經(jīng)過預(yù)處理，產(chǎn)生形狀合適的顆粒銀或條狀銀。在220°C的溫度和至少40MPa壓強(qiáng)下，連接過程持續(xù)約1分鐘。在這種工作環(huán)境中，工作溫度遠(yuǎn)低于所連接材料的熔點(diǎn)。在燒結(jié)過程中，銀粉的體積和孔隙都會(huì)減少，因此，可以通過粉末顆粒之間的表面擴(kuò)散來提高硬度。銀涂層通過擴(kuò)散或混合與被連接的材料緊密的結(jié)合在一起。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20電氣鍵合工藝內(nèi)部電氣連接技術(shù)軟焊和擴(kuò)散焊的比較：與軟焊相比，擴(kuò)散焊的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是它的有效層能夠做得很薄。芯片焊接系統(tǒng)焊接超聲焊接技術(shù)錫焊超聲焊接低溫連接擴(kuò)散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21電氣鍵合工藝可分離電氣連接：螺絲和彈簧條件可分離電氣連接：焊接和壓接不可分離的電氣連接：鍵合連接和焊接（IGBT內(nèi)）燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接電氣連接技術(shù)：模塊外電氣連接技術(shù)：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)燒結(jié)效應(yīng)現(xiàn)象:電擊穿絕緣對象:可分離的電氣連接-螺絲和彈簧機(jī)理:貴金屬(Au/Pd)產(chǎn)生5納米的氧化層

普通金屬(Cu,Ni,Sn)產(chǎn)生幾十納米的氧化層燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)。功率端子和輔助端子采用螺絲連接英飛凌科技公司的PrimePACKTM系列模塊燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)焊接：

硬焊：400℃~1000℃軟焊：230℃~400℃軟焊：有鉛焊接：SnPb（錫-鉛）無鉛焊接：

Sn60Pb40，SnCu（錫/銅）,SnAgCu（錫/銀/銅）PCB和IGBT模塊的焊接燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接連接較好連接較差I(lǐng)GBTModules–Technologies,DriverandApplication24電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)插件連接主要用于IGBT組件信號連接，通常與螺絲連接配合使用。IGBT模塊的接插件燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接2.8mm易插接頭：寬2.8mm,厚0.5mm,長8.6mm材料：黃銅或磷/青銅+錫或銀涂層、鋼+鎳涂層塑料：聚酰胺（nylon），溫度高于125℃

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)壓接連接：冷壓焊接技術(shù)冷壓焊的基本原理（提高金屬接觸面積）燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)PCB和模塊壓入引腳的冷焊壓接技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：能夠應(yīng)用于任何標(biāo)準(zhǔn)的PCB，且相對焊接拆卸PCB很容易。通過HAL/HASL和化學(xué)錫工藝的PCB表面IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)工藝導(dǎo)體截面積/mm2失效率λrefFIT相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)焊接（人工）0.5IPC610，Class2焊接（及其）0.3IPC610，Class2繞線0.05~0.50.002DINEN60352-1/IEC60352-1CORR1接插件0.05~3000.25DINEN60352-2/IEC60352-2A1&A端部連接0.1~0.50.02DIN41611-4壓接0.3~20.005IEC60352-5絕緣壓穿連接0.05~10.25IEC60352-3IEC60352-4螺絲0.5~160.5DINEN60999-1夾具0.5~160.5DINEN60999-1不同連接技術(shù)的失效率IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)IGBT模塊不同類型的壓接引腳為壓接裝配特別設(shè)計(jì)的模塊IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)IGBT模塊壓接連接工藝IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29電氣鍵合工藝外部電氣連接技術(shù)彈簧連接：應(yīng)用：中小功率應(yīng)用連接：負(fù)載或輔助端子彈簧連接SEMiX系列模塊燒結(jié)效應(yīng)螺絲連接焊接連接插件連接壓接技術(shù)彈簧連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30設(shè)計(jì)理念標(biāo)準(zhǔn)IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplication30設(shè)計(jì)理念壓接式IGBT特征：壓接封裝的頂部和底部同時(shí)也是器件的電源端子和冷卻表面。優(yōu)點(diǎn)：兩面冷卻缺點(diǎn)：散熱器必須絕緣傳統(tǒng)的壓接IGBT和StakPakTMIGBTABB公司的StakPakTM封裝是一種特殊類型的壓接式封裝，不需要內(nèi)部連接或焊接。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30設(shè)計(jì)理念壓接式IGBT壓接IGBTIXYSUKWSTCODEIGBTModules–Technologies,DriverandApplication31設(shè)計(jì)理念智能功率模塊（IPM）三菱150A/1.2kV智能功率模塊傳統(tǒng)IPM的功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)目前沒有被業(yè)界廣泛接受的IPM標(biāo)準(zhǔn)。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32設(shè)計(jì)理念I(lǐng)GBT模制模塊兩種類型模制模塊：DIP（雙列直插式）和SIP（單列直插式）DIP-IPM的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)SIP-IPM的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33設(shè)計(jì)理念分立IGBT分立IGBT設(shè)計(jì)常用在600V~1.2kV電壓的小功率范圍內(nèi)。分立式IGBT通過焊接和鍵合工藝的電氣連接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34設(shè)計(jì)理念套件PrimeSTACKModSTACKMIPAQIGBTModules–Technologies,DriverandApplication35半導(dǎo)體的內(nèi)部并聯(lián)大容量的IGBT模塊內(nèi)部包含多個(gè)IGBT和二極管芯片。EconoDUALTM3模塊IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36半導(dǎo)體的內(nèi)部并聯(lián)三個(gè)IGBT和二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)三個(gè)IGBT和三個(gè)二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體并聯(lián)均流：寄生參數(shù)一致IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37低感設(shè)計(jì)模塊封裝模塊雜散電感34mm30nH62mm20nHEconoDUALTM320nHIHM140×190（第一代）10nHIHM140×190（第二代）6nHPrimePACKTM310nH模塊的雜散電感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38低感設(shè)計(jì)IGBT模塊的低感設(shè)計(jì)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39IGBT模塊的電路拓?fù)涑Ｓ玫耐負(fù)洌簡伍_關(guān)、斬波電路、半橋電路、兩電平和三電平拓?fù)浼凹壜?lián)H橋拓?fù)洹GBTModules–Technologies,DriverandApplication40IGBT模塊的電路拓?fù)淙珮螂娐吠負(fù)浼?制動(dòng)斬波器、不可控整流器或半控整流器橋。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41IGBT模塊的電路拓?fù)涓皇侩姍C(jī)公司制造的標(biāo)準(zhǔn)PIM/CIB模塊IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42IGBT絕緣配合實(shí)現(xiàn)絕緣的耐用性和可靠性：通過陶瓷襯底（DCB）實(shí)現(xiàn)絕緣?；灞３肿銐虻碾姎忾g隙和爬電距離，輔助端子

和電源端子想隔離。不同類型絕緣：功能絕緣基本絕緣補(bǔ)充絕緣雙絕緣增強(qiáng)絕緣安全絕緣IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43IGBT絕緣配合電氣間隙和爬電距離電氣間隙：兩個(gè)導(dǎo)電體在空氣的最短距離。爬電距離：兩個(gè)導(dǎo)電體之間沿著它們的絕緣表面最短的近似距離。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43IGBT絕緣配合電氣間隙和爬電距離電氣間隙和爬電距離：標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范EN50124-1，“鐵路應(yīng)用——絕緣要求，第一部分：基本要求——所有電氣和電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離”及附件EN50124-1/A1和EN50124-1/A2。EN50178，“動(dòng)力裝置上的電子設(shè)備”。IEC60077-1，“鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛的電氣設(shè)備，第一部分：一般服務(wù)條件和一般規(guī)則”。IEC60664-1，“低壓系統(tǒng)設(shè)備的絕緣要求，第一部分：原理，要求和測試”和