电力半导体模块及其工艺技术

最小, 以免造成半导体芯片的碎裂和铜底板的弯曲,
从而避免引起铜底板与散热器接触不良, 使热阻增
大, 达不到良好的散热效果;
(3) 在设计 IGB T 等高频模块时, 除要考虑强、
弱电导线分隔原则, 使其相互干扰最低外, 还应特
别注意和充分考虑元器件位置安排的对称性引线的
图 1 分层多芯片 IPEM 结构图
收稿日期: 2000- 09- 04 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
24
半导体情报 第 38 卷 第 1 期 2001 年 2 月
Power sem iconductor m odule and its technology
W U J i2jun, W U L i2li
(X iπan P ow er E lectron ics R esea rch Institu te, X iπan 710061, Ch ina)
Abstract: T he developm en t h isto ry of pow er sem iconducto r m odu le is review ed. T he develop ing d irect ion of pow er sem iconducto r m odu le is po in ted in fea tu re. T he p ap er describes the fea tu re and the app lica t ion dom a in of in telligen t thyristo r m odu le w h ich is develop ed by ou r coun t ry and now is m anufactu red in Ch ina. T he a rt icle a lso in t roduces the con st ruct ion and techno logy of IGB T m odu le. T he a t ten t ive p rob lem s and techno logy fea tu re a re p ropo sed w h ile design ing the p a rt s of IGB T m odu le. Keywords: pow er sem iconducto r m odu le; in telligen t thyristo r m odu le; bond; IGB T m odu le
压力的传递, 必须充分考虑压力方向的合理性, 以 一类是热压成型类材料。由于它不易制作得太薄, 且
避免铜底板受压后发生翘变或形变, 增加热阻, 降 易脆裂, 因而目前很少采用。 常采用的注塑型材料
低输出功率。
有两种, 一种是加一定玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁
下面分别略述 IGB T 模块各主要部件的设计要 二醇脂 (PB T ) , 另一种是加一定玻璃纤维的聚苯硫
我国电力半导体模块的发展起步较晚, 80 年代
走向问题, 尽量减少分布电感和电容, 以提高工作 效率;
中期才开始。 此后, 虽引进了一些工艺制造技术和
(4) 应充分考虑国际和国内相关标准, 使模块
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1 引 言
模块化是电力半导体器件近年来发展的主要方 向之一。自 70 年代 Sem ik ron 等人成功地把模块基 本原理引入电力电子技术领域以来[1], 由于模块与 同容量的分立器件相比具有体积小、 重量轻、 结构 紧凑、 可靠性高、 外接线简单、 互换性好、 便于维 修安装、 结构重复性好、 装置的机械设计可简化等 优点而受到世界各国电力半导体器件公司的高度重
参数名称 材料名称
PPS (无玻璃纤维) PPS+ 40% 玻璃纤维 PBT + 30% 玻璃纤维
抗压强度 M Pa
143100 220140 169190
抗拉强度 M Pa
130100 179114 133160
热变形温度 ℃
260100 26010 22010
绝缘强度 kV mm 1717 1917 2117
体积电阻 8mm
415×1016 110×1015
吸水率 %
0105 0105 0102
为了保证外壳和盖板成型时不形变, 必须采取 局部加厚和加强筋等措施, 并尽可能使各处壁厚一 致, 以防在成型过程中由于不均匀的凝固和收缩使 厚壁处产生气泡和形变。 盖板应设计有防爆孔, 以 解决模块在高温工作时, 由于内部硅凝胶膨胀, 而 环氧与外壳封装严密, 使能量无法释放, 最终因应 力积累而导致模块爆炸。 212 铜底板与主电极的设计
电压驱动的电力半导体器件的出现, 使驱动功率大 设计技术以及一些生产线, 但由于半导体芯片以及
大降低, 驱动趋于简化, 进而发展到把器件芯片与 控制电路、 驱动电路、 过压、 过流、 过热和欠压保 护电路以及自诊断电路组合, 并封装在同一绝缘外 壳内的智能化模块 ( IPM )。开发出适用于各种不同 用户应用要求的用户专用功率模块 (A SPM ) , 以适 应计算机、 通讯、 空间技术以及各种大容量的工业 电力变流装置和电动机驱动要求。 事实证明, 采用 传统设计方法和一般工艺技术以及常规方法制造的 元器件所制成的电力电子装置, 在质量、可靠性、价 格以及设计周期上处于较落后和无竞争地位, 要开 发新一代电力电子装置, 必须采用高集成度、 智能 化和标准化的, 并适用于任何应用范围的集成电力 电子模块 ( IPEM ) , 以降低装置的Βιβλιοθήκη Baidu产成本, 缩短 产品进入市场的周期, 提高产品的可靠性。但是, 在 技术上要把逻辑电平为几伏、 几毫安的集成电路与 几百安、 几千伏的电力半导体器件集成在同一芯片 上是非常困难的, 特别是采用传统结构方法制造的 储能元件, 如电感器和电容器, 由于它们的体积庞 大, 更不适用于高密度的电子封装。 凡此种种, 迫 使人们采用混合封装形式来制造适用于各种应用场
26
半导体情报 第 38 卷 第 1 期 2001 年 2 月
表 2 各种材料的热膨胀系数
材料名称
A lN DBC 板
A l2O 3 (92% ) DBC 板
第 38 卷 第 1 期 2001 年 2 月 半导体情报
25
的外型尺寸和安装尺寸尽可能接近或采用标准规定 先要考虑的问题, 因为它直接影响到外壳与铜底板
的数据, 以提高模块的互换性;
(或DBC 板) 以及盖板与主电极之间的热胀冷缩的
(5) 对于压接式模块, 其结构设计的关键在于 匹配问题。常用材料有两类, 一类是注塑型材料, 另
2 模块的结构设计及相关工艺技术
合的集成电力电子模块。 而采用多层结构的三维制 作技术[ 2 ]、新型材料、热控技术以及谐振开关技术来 制造集成电力电子模块 (如图 1) , 将促进模块技术 的进一步发展, 为下一世纪电力电子技术的发展开 辟了新途径。
电力半导体模块的制作是集电子学、 电学、 热 学、机械学和材料学等于一体的综合性科学技术。因 此, 设计模块结构时, 应充分考虑以下因素:
图 2 (a) 预弯后的铜底板 (b) 铜底板与DBC 基板焊接后的合 格品
图 3 新型 IGBT 模块的基板和底板
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
实践证明, IGB T 模块的铜底板与DBC 陶瓷板 之间的焊接处, 由于功率循环 (即温度变化) 存在 着焊料的疲劳失效问题, 这主要是由于DBC 基板与 铜底板热膨胀系数相差较大而引起的, 表 2 列出了 各种材料的热膨胀系数。由于铜底板收缩尺寸较大, 而DBC 基板收缩尺寸较小, 造成DBC 基板严重弯 曲, 从而引起焊料的塑性形变, 因而在DBC 基板与 铜底板之间产生热接触较差的面积, 一旦这种效应 发生, 就会产生恶性循环, 使疲劳加速, 最后造成 模块失效。采用较小面积的A lN DBC 基板, 或采用 掺磷、 镁的铜银合金, 并在焊接前对铜底板进行一 定弧度的预弯, 如图 2 (a) , 焊后如图 2 (b) , 这种 尚存在一定弧度的焊成品, 当模块与散热器表面接 触时, 能保证铜底板与散热器表面充分接触, 有利 于热传导。 采用热膨胀系数接近 A lN DBC 基板的 A lSiC 底板替代铜底板, 将很好地解决这一疲劳问 题[4 ], 如图 3。
点和关键工艺技术。
醚 (PPS) , 表 1 列出了它们的性能参数[3]。由表 1 可
211 模块外壳和盖板的设计
见, 加 40% 玻璃纤维的 PPS 较加 30% 玻璃纤维的
采用什么材料制造模块外壳和盖板是设计者首 PB T 具有更优良的机械性能和高温性能。
表 1 PPS 和 PBT 材料性能参数
视, 投入大量人力和财力, 开发出各种电连接形式 的电力半导体模块, 使模块技术得以蓬勃发展。
起 初 是 中 小 功 率 ( 电 压 ≤ 1000V , 电 流 ≤ 100A ) 的普通晶闸管和整流二极管模块, 之后随着 新型半导体器件和晶闸管派生器件以及制造模块的 相应辅助材料的研制成功, 继而出现了双向晶闸管、 可关断晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、G T R、功 率M O SFET、 IGB T 和M CT 等模块, 并进行了生 产。特别是M O S 结构电力半导体器件的出现, 亦即
(1) 从电学和热学的角度出发, 在结构情况许 可条件下, 尽量缩短管芯和散热器之间的距离及管
芯和主电极引出线之间的距离, 使模块的热阻最小,
且能保持良好的电性能;
(2) 选材时, 必须针对模块制作工艺的不同, 选
择焊接式 (或键合式) 或压接式, 而特别注意各部
件之间热胀冷缩的配合公差, 使各部件之间的应力
第 38 卷 第 1 期 2001 年 2 月 半导体情报
23
工艺技术
电力半导体模块及其工艺技术
吴济钧, 吴莉莉
(西安电力电子技术研究所, 陕西 西安 710061)
摘要: 回顾了电力半导体模块发展里程, 指出了电力半导体模块今后发展的方向, 描述了我国研 制成功并已生产的智能晶闸管模块的特点及其应用领域。介绍了 IGB T 模块的结构和工艺技术, 提 出了设计 IGB T 模块各部件时应注意的问题和工艺技术特点。 关键词: 电力半导体模块; 智能晶闸管模块; IGB T 模块; 键合 中图分类号: TN 495 TN 305 文献标识码: A 文章编号: 100125507 (2001) 0120023205
其它配套部件和材料等存在一些质量问题, 加之工 艺技术的落后, 使初期的晶闸管和整流二极管模块 的品种少、 外观差、 可靠性低且价格高, 因此无法 与国外竞争, 模块技术发展缓慢。90 年代中期, 由 于各方面的重视, 我国电力半导体模块的制造工艺 技术得到很大改进, 使模块的产量、 品种和质量获 得飞速的发展和提高, 并开发出一些国际上没有的, 把同步、 移相、 高频调制、 脉冲分配、 脉冲功放等 电路组成的移相触发系统与晶闸管共同封装在同一 绝缘外壳内的集成移相调控晶闸管整流桥模块和集 成移相调控晶闸管交流开关模块。 同时解决了同步 元件的微型化, 多路高速大电流集成电路和高压隔 离技术等难题, 提高了信号幅度和抗干扰能力, 使 驱动电路体积大大缩小, 有利于集成化。 晶闸管调 控整流模块和交流模块的研制开发成功, 大大方便 了用户使用, 简化了装置的接线。 与此同时, 国内 已开发研制并小批量生产各种接线方式的 IGB T 模 块和高频快恢复二极管模块。