IGBT器件结构课件

第二章IGBT器件结构IGBT模块：技术、驱动和应用IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBTModules–Technologies,DriverandApplication1目录312458679简介IGBT模块的材料电气键合工艺设计理念半导体的内部并联低感设计IGBT模块的电路拓扑IGBT绝缘配合制造商概览IGBTModules–Technologies,DriverandApplication2简介标准IGBT的阻断电压和标称电流IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3简介半导体芯片是电力电子器件的核心含有DCB（陶瓷覆铜板）衬底的电力电子器件结构原理I-处理电流能力（容量）U-阻断电压P-功耗IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模块的材料IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模块的材料IGBTModules–Technologies,DriverandApplication4IGBT模块的材料含有基板的标准IGBT的结构塑料框架IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模块的材料塑料框架机械特性：机械稳定，且抗拉强度高。温度特性：

环境温度-55℃~175℃

满足焊接温度需求，高于250℃绝缘性能：满足电气绝缘需求。塑料材质满足要求：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模块的材料塑料框架塑料材质满足标准和规范：NFF，UL，CSA，CCC，IEC，EN和VDE标准NFF16101（法国防火标准）：电力牵引UL94VO：自熄性UL1557（半导体器件电气绝缘标准）IEC60749（机械和环境测试标准）IEC60747-19（分立和独立功率半导体器件标准）RoHS规范：有害物质规范IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5IGBT模块的材料塑料框架标准IGBT模块和IPM聚合物材料PPS（聚苯硫醚）PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）高压IGBT模块（2.5kV-6.5kV）聚合物材料PPA（聚邻苯二甲）PA（聚酰胺）PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication6IGBT模块的材料衬底DCB衬底结构DCB具有以下功能：保证电源部件和冷却介质之间的电气绝缘；通过铜走线传输电流；保证与冷却介质之间良好的热连接；保证高可靠性。IMS衬底结构聚合物绝缘层IGBTModules–Technologies,DriverandApplication7IGBT模块的材料基板IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模块的材料塑模材料、环氧树脂和硅胶塑模化合物是用来封装小电流、低电压的分立IGBT或IGBT模块。封装的模块：阻断电压等级为600V，电流几十AIGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模块的材料塑模材料、环氧树脂和硅胶1700V/400A目前：逐步用软铸造树脂/绝缘化合物，比如硅胶代替环氧树脂IGBTModules–Technologies,DriverandApplication8IGBT模块的材料塑模材料、环氧树脂和硅胶模块内的硅胶工作环境温度-100°C~200°C以上IGBTModules–Technologies,DriverandApplication9IGBT模块的材料塑模材料、环氧树脂和硅胶在电场内生产DCB硫化铜镀镍的DCB可以抑制形成硫化铜，从而避免电力电子器件因为硫化铜短路而损坏。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IGBT模块的材料塑模材料、环氧树脂和硅胶采用不同材料的标准IGBT模块结构IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15IGBT模块的材料EconoDUAL材料

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication11电气键合工艺键合技术：内部键合半导体侧的电气连接外部键合器件和环境之间的电气连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12电气键合工艺内部电气连接技术芯片焊接系统焊接超声焊接技术锡焊超声焊接低温连接扩散焊接系统焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication12电气键合工艺内部电气连接技术芯片焊接系统焊接超声焊接技术超声焊接过程锡焊超声焊接低温连接扩散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13电气键合工艺内部电气连接技术半导体器件的键合工艺：热压打线（TC键合）；热超声波打线（TS键合）；超声波打线（US键合）。IGBT和二极管之间的铝键合线连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14电气键合工艺内部电气连接技术IGBT和二极管之间的铝键合线连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15电气键合工艺内部电气连接技术铝线和铜线框架键合仿真结果IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15电气键合工艺内部电气连接技术EconoDUALTM模块中的铜框架键合IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16电气键合工艺内部电气连接技术负载端子的焊接。芯片焊接系统焊接超声焊接技术锡焊超声焊接低温连接扩散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication17电气键合工艺内部电气连接技术铜和铜超声波焊接后的热阻和电阻降低了一半，IGBT具有更大的电流处理能力，同时降低了热负载。辅助端子和负载端子超声波焊接原理芯片焊接系统焊接超声焊接技术锡焊超声焊接低温连接扩散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication18电气键合工艺内部电气连接技术IGBT模块上的功率端子和辅助端子的超声波焊接示例IGBT模块中的超声波焊接的截面IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19电气键合工艺内部电气连接技术超声波焊接接点（铜到铜）和框架焊接接点（铝到铜）的热分析超声波焊接比传统的铝线键合可以通过更高的电流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20电气键合工艺内部电气连接技术。芯片焊接系统焊接超声焊接技术锡焊超声焊接低温连接扩散焊接低温连接用于金属材料连接，需要在金属材料表面涂银或金使其防止产生氧化膜。涂层经过预处理，产生形状合适的颗粒银或条状银。在220°C的温度和至少40MPa压强下，连接过程持续约1分钟。在这种工作环境中，工作温度远低于所连接材料的熔点。在烧结过程中，银粉的体积和孔隙都会减少，因此，可以通过粉末颗粒之间的表面扩散来提高硬度。银涂层通过扩散或混合与被连接的材料紧密的结合在一起。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20电气键合工艺内部电气连接技术软焊和扩散焊的比较：与软焊相比，扩散焊的一个明显优点是它的有效层能够做得很薄。芯片焊接系统焊接超声焊接技术锡焊超声焊接低温连接扩散焊接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21电气键合工艺可分离电气连接：螺丝和弹簧条件可分离电气连接：焊接和压接不可分离的电气连接：键合连接和焊接（IGBT内）烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接电气连接技术：模块外电气连接技术：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication21电气键合工艺外部电气连接技术烧结效应现象:电击穿绝缘对象:可分离的电气连接-螺丝和弹簧机理:贵金属(Au/Pd)产生5纳米的氧化层

普通金属(Cu,Ni,Sn)产生几十纳米的氧化层烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication22电气键合工艺外部电气连接技术。功率端子和辅助端子采用螺丝连接英飞凌科技公司的PrimePACKTM系列模块烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23电气键合工艺外部电气连接技术焊接：

硬焊：400℃~1000℃软焊：230℃~400℃软焊：有铅焊接：SnPb（锡-铅）无铅焊接：

Sn60Pb40，SnCu（锡/铜）,SnAgCu（锡/银/铜）PCB和IGBT模块的焊接烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接连接较好连接较差IGBTModules–Technologies,DriverandApplication24电气键合工艺外部电气连接技术插件连接主要用于IGBT组件信号连接，通常与螺丝连接配合使用。IGBT模块的接插件烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接2.8mm易插接头：宽2.8mm,厚0.5mm,长8.6mm材料：黄铜或磷/青铜+锡或银涂层、钢+镍涂层塑料：聚酰胺（nylon），温度高于125℃

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication25电气键合工艺外部电气连接技术压接连接：冷压焊接技术冷压焊的基本原理（提高金属接触面积）烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication26电气键合工艺外部电气连接技术PCB和模块压入引脚的冷焊压接技术优点：能够应用于任何标准的PCB，且相对焊接拆卸PCB很容易。通过HAL/HASL和化学锡工艺的PCB表面IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27电气键合工艺外部电气连接技术工艺导体截面积/mm2失效率λrefFIT相关标准焊接（人工）0.5IPC610，Class2焊接（及其）0.3IPC610，Class2绕线0.05~0.50.002DINEN60352-1/IEC60352-1CORR1接插件0.05~3000.25DINEN60352-2/IEC60352-2A1&A端部连接0.1~0.50.02DIN41611-4压接0.3~20.005IEC60352-5绝缘压穿连接0.05~10.25IEC60352-3IEC60352-4螺丝0.5~160.5DINEN60999-1夹具0.5~160.5DINEN60999-1不同连接技术的失效率IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28电气键合工艺外部电气连接技术IGBT模块不同类型的压接引脚为压接装配特别设计的模块IGBTModules–Technologies,DriverandApplication28电气键合工艺外部电气连接技术IGBT模块压接连接工艺IGBTModules–Technologies,DriverandApplication29电气键合工艺外部电气连接技术弹簧连接：应用：中小功率应用连接：负载或辅助端子弹簧连接SEMiX系列模块烧结效应螺丝连接焊接连接插件连接压接技术弹簧连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30设计理念标准IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplication30设计理念压接式IGBT特征：压接封装的顶部和底部同时也是器件的电源端子和冷却表面。优点：两面冷却缺点：散热器必须绝缘传统的压接IGBT和StakPakTMIGBTABB公司的StakPakTM封装是一种特殊类型的压接式封装，不需要内部连接或焊接。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30设计理念压接式IGBT压接IGBTIXYSUKWSTCODEIGBTModules–Technologies,DriverandApplication31设计理念智能功率模块（IPM）三菱150A/1.2kV智能功率模块传统IPM的功能设计结构目前没有被业界广泛接受的IPM标准。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32设计理念IGBT模制模块两种类型模制模块：DIP（双列直插式）和SIP（单列直插式）DIP-IPM的结构和电气设计SIP-IPM的结构和电气设计示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33设计理念分立IGBT分立IGBT设计常用在600V~1.2kV电压的小功率范围内。分立式IGBT通过焊接和键合工艺的电气连接IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34设计理念套件PrimeSTACKModSTACKMIPAQIGBTModules–Technologies,DriverandApplication35半导体的内部并联大容量的IGBT模块内部包含多个IGBT和二极管芯片。EconoDUALTM3模块IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36半导体的内部并联三个IGBT和二极管的并联结构三个IGBT和三个二极管的并联结构半导体并联均流：寄生参数一致IGBTModules–Technologies,DriverandApplication37低感设计模块封装模块杂散电感34mm30nH62mm20nHEconoDUALTM320nHIHM140×190（第一代）10nHIHM140×190（第二代）6nHPrimePACKTM310nH模块的杂散电感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38低感设计IGBT模块的低感设计IGBTModules–Technologies,DriverandApplication39IGBT模块的电路拓扑常用的拓扑：单开关、斩波电路、半桥电路、两电平和三电平拓扑及级联H桥拓扑。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication40IGBT模块的电路拓扑全桥电路拓扑集成:制动斩波器、不可控整流器或半控整流器桥。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41IGBT模块的电路拓扑富士电机公司制造的标准PIM/CIB模块IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42IGBT绝缘配合实现绝缘的耐用性和可靠性：通过陶瓷衬底（DCB）实现绝缘。基板保持足够的电气间隙和爬电距离，辅助端子

和电源端子想隔离。不同类型绝缘：功能绝缘基本绝缘补充绝缘双绝缘增强绝缘安全绝缘IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43IGBT绝缘配合电气间隙和爬电距离电气间隙：两个导电体在空气的最短距离。爬电距离：两个导电体之间沿着它们的绝缘表面最短的近似距离。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication43IGBT绝缘配合电气间隙和爬电距离电气间隙和爬电距离：标准和规范EN50124-1，“铁路应用——绝缘要求，第一部分：基本要求——所有电气和电子设备的电气间隙和爬电距离”及附件EN50124-1/A1和EN50124-1/A2。EN50178，“动力装置上的电子设备”。IEC60077-1，“铁路应用——机车车辆的电气设备，第一部分：一般服务条件和一般规则”。IEC60664-1，“低压系统设备的绝缘要求，第一部分：原理，要求和测试”和