IGBT模塊壓接技術(shù)研究

摘 要

介紹了IGBT模塊壓接技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與難題，提出了IGBT模塊壓接設(shè)計(jì)方法，包括功率集成、系統(tǒng)集成、新型功率互連及低阻散熱設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】IGBT模塊 壓接 集成 功率互連 散熱

1 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）是電力電子系統(tǒng)的核心部件，具備獨(dú)立的電能轉(zhuǎn)換功能。新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了IGBT模塊技術(shù)的更迭，從簡單的分離式單元到高度集成的IGBT模塊，創(chuàng)新的概念與顛覆性的產(chǎn)品紛紛涌入市場，對IGBT模塊提出了小型化、模塊化、高功率密度的要求。本文所述壓接技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)電氣功率端子與大功率半導(dǎo)體芯片的壓力接觸而非焊接，成為IGBT模塊小型化、高功率密度的一種有效解決方案。

現(xiàn)有文獻(xiàn)[1-2]在電力電子集成技術(shù)方面開展了一定的工作，但針對IGBT模塊的壓接封裝的技術(shù)研究較為少見。本文選取IGBT模塊壓接技術(shù)為研究對象，闡述了其關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)方法，為工程實(shí)際提供指導(dǎo)意義。

2 關(guān)鍵技術(shù)

普通的IGBT模塊采用電氣功率端子與大功率半導(dǎo)體芯片電路結(jié)構(gòu)焊接的方式連接，能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的緊密電接觸，但在長時(shí)間工作或環(huán)境老化條件下容易造成焊接部分熱應(yīng)力過分集中，導(dǎo)致IGBT模塊容易退化失效。而壓接技術(shù)的優(yōu)勢，在于采用電氣功率端子與大功率半導(dǎo)體芯片彈力壓接的方式實(shí)現(xiàn)耐久性電接觸，從而規(guī)避熱應(yīng)力積聚。可見，壓接是保證IGBT模塊功能與性能的關(guān)鍵，需關(guān)注以下特性：

2.1 壓接力的大小

由于壓接式的電接觸實(shí)現(xiàn)的只是緊密物理接觸而非化學(xué)性接觸，因此在壓接部位會(huì)存在接觸電阻，壓接力的大小直接關(guān)系到接觸電阻的大小。如果產(chǎn)生的接觸電阻大，則IGBT模塊工作時(shí)的功率損耗變大，對散熱提高要求的同時(shí)也容易引發(fā)電弧、電應(yīng)力等不利局面。

2.2 壓接力的一致性

壓接力如果分布不一致，則不同部位的大功率半導(dǎo)體芯片與其下方的散熱結(jié)構(gòu)連接緊密性不一致，造成散熱條件差異較大，使得熱損耗集中在散熱不好的芯片處，引發(fā)芯片短壽命。

為保證壓接力大小適中及均衡，本文提出系列壓接設(shè)計(jì)的方法，包括功率集成、系統(tǒng)集成、新型功率互連與低阻散熱設(shè)計(jì)。

3 壓接設(shè)計(jì)方法

3.1 功率集成

所述功率集成，是針對IGBT模塊在系統(tǒng)電路拓?fù)渲械慕M合方式而言。先進(jìn)的功率集成技術(shù)，催生出二合一、六合一、七合一等封裝形式的IGBT模塊，達(dá)到用少量功率半導(dǎo)體芯片就等完成同等功能的效果，提供模塊可靠性。

為此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以將電流檢測單元、溫度檢測單元、電源等功能單元一起集成在IGBT模塊內(nèi)部，用以完成復(fù)雜的功率控制與過程保護(hù)，并且擁有更大的空間進(jìn)行功率擴(kuò)展以及功能升級(jí)。當(dāng)然，IGBT模塊的功率集成應(yīng)追求應(yīng)用與成本之間的平衡。

3.2 系統(tǒng)集成

所述系統(tǒng)集成，用以描述各個(gè)功率半導(dǎo)體芯片在結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)性布局，旨在提供低寄生電感、輕噪聲、小回路的電氣信號(hào)傳輸路徑。美國電力電子系統(tǒng)研究中心對半導(dǎo)體系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)研究已深入覆蓋材料、機(jī)械、電氣等多門學(xué)科，充分證實(shí)IGBT模塊的電磁熱一體化設(shè)計(jì)趨勢。

作為電能變換的載體，IGBT模塊接收來自上層控制系統(tǒng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)指令，同時(shí)需要將自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋。因此，低寄生電感、輕噪聲、小回路的電氣信號(hào)傳輸路徑，表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與電源等直接融入IGBT模塊內(nèi)部的集成封裝結(jié)構(gòu)中。如此驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與電源在IGBT模塊內(nèi)部的集成，可以將復(fù)雜的外圍電路集成工作轉(zhuǎn)移至PCB電路板，有利于縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)批量化印制電路的質(zhì)量穩(wěn)定性。

3.3 新型功率互連

功率互連是壓接技術(shù)的核心與難點(diǎn)，其技術(shù)水平直接影響IGBT模塊的電能變換質(zhì)量與可靠性。新型功率互連的目標(biāo)，在于減少冗余功率端子，加強(qiáng)電氣連接的可靠性。如，采用壓接技術(shù)，可構(gòu)成靈活且通用的相模塊，消除焊接引入的寄生參數(shù)，有利于獲得高效的電能傳遞效果，同時(shí)，因材料熱膨脹引起的熱應(yīng)力可以通過壓接的電氣功率端子得到釋放。

以新型功率互連為原型的IGBT模塊，具備良好的可拆裝性與互換性，可以延伸至PEBB（Power Electronic Building Block，簡稱電力電子積木）模式的模塊化設(shè)計(jì)，其特征在于，IGBT模塊設(shè)計(jì)過程中可能遇到的電路、材料、機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)等難題被集中壓縮在封裝內(nèi)部解決。

3.4 低阻散熱設(shè)計(jì)

IGBT模塊的集成化，意味著尋求更先進(jìn)的手段來保證高功率密度、小型化空間內(nèi)的能量損失能以更加快捷、高效、低阻的方式得到耗散。低阻散熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是設(shè)計(jì)熱阻盡可能低的熱流路徑，實(shí)現(xiàn)IGBT快速冷卻或溫升可控。實(shí)踐表明，采用無基板的壓接技術(shù)，可降低30%左右的熱阻。采用壓接技術(shù)與無基板技術(shù)融合，再重點(diǎn)關(guān)注壓接力的均勻性，則可望使IGBT的封裝散熱達(dá)到更好的效果。

4 結(jié)語

IGBT模塊壓接技術(shù)符合小型化、輕量化、模塊化、高功率密度等技術(shù)趨勢的發(fā)展和市場要求。通過保證壓接力的均衡性，結(jié)合功率集成、系統(tǒng)集成、新型功率互連及低阻散熱設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代電力電子集成要求的IGBT模塊。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣云富，黃南，袁勇等.集成式IGBT功率組件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].大功率變了技術(shù)，2015（03）：1-6.

[2]張明.現(xiàn)代電力電子集成技術(shù)綜述[J].大功率變流技術(shù)，20161（01）：1-7.

作者單位

1.新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南省株洲市 412001

2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 湖南省株洲市 412001