除了陶瓷基板,IGBT模塊還有哪些主要材料？（實(shí)物圖）|金瑞欣特種電路

IGBT是一種新型的電力電子器件，其基本結(jié)構(gòu)是在晶體管的基極和發(fā)射極之間加入絕緣層以及一個(gè)控制電極。 IGBT功率模塊

IGBT兼具了MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的優(yōu)點(diǎn)，如高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功耗、快速開關(guān)能力等，以及BJT（雙極型晶體管）的優(yōu)點(diǎn)，如高電流承載能力、低導(dǎo)通壓降等。因此，IGBT在功率電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IGBT模塊主要由以下幾個(gè)部分組成：IGBT芯片、鍵合導(dǎo)線、封裝結(jié)構(gòu)（基板、散熱、硅凝膠等）、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路；下面介紹IGBT模塊主要材料。

（一） IGBT芯片

IGBT芯片是整個(gè)模塊的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括P型襯底、N型緩沖層、N型漂移層、P型注入層以及絕緣柵氧化層等。其中，漂移層是為了提高模塊的耐壓能力而設(shè)置的。

IGBT模塊中IGBT芯片示意圖

(二）導(dǎo)線鍵合

為了確保電流能從IGBT芯片傳輸?shù)酵獠侩娐?，需要在芯片與焊盤之間進(jìn)行導(dǎo)線鍵合。這一過(guò)程中使用的導(dǎo)線材料通常為鋁或金。

鍵合線

（三）封裝結(jié)構(gòu)

IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)主要包括基板、陶瓷層、散熱片等?；逵糜谥蜪GBT芯片，陶瓷層用于絕緣，散熱片則負(fù)責(zé)散熱。此外，封裝結(jié)構(gòu)還包括一些外部引線、焊盤等用于連接外部電路的部件。

IGBT模塊示意圖

硅凝膠作為一種特殊的電子灌封材料，除具備有機(jī)硅類灌封膠獨(dú)特的耐候和耐老化性能、優(yōu)異的耐高低溫性能、良好的疏水性和電絕緣性能之外，還具有內(nèi)應(yīng)力小、抗沖擊性好、粘附力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是IGBT模塊灌封的首選材料。

IGBT硅凝膠是一種低應(yīng)力，十分柔軟的有機(jī)硅凝膠。灌封到IGBT模組上后，它的低應(yīng)力，凝膠柔軟性，不僅能夠達(dá)到比較理想的抗沖擊、減震效果，同時(shí)，凝膠表面的粘性，粘接在IGBT模組上，也能很好的達(dá)到防水防潮的保護(hù)效果。不僅如此，IGBT硅凝膠優(yōu)異的電氣絕緣性能，如高介電強(qiáng)度和體積電阻率，也能能夠保護(hù)IGBT模塊。

IGBT封裝采用的陶瓷覆銅載板主要有DBC（直接鍵合覆銅）和AMB（活性釬焊覆銅）兩種類型。與DBC采用直接熱壓敷合陶瓷/銅的方式不同，AMB的陶瓷和銅之間有釬料填充和參加界面反應(yīng)，所以能夠獲得極低的界面空洞率和非常牢靠的界面結(jié)合。另外，由于陶瓷和銅復(fù)合機(jī)理的不同，DBC一般僅適用于Al2O3等氧化物陶瓷，應(yīng)用于AlN時(shí)陶瓷表面必須進(jìn)行預(yù)氧化，對(duì)于Si3N4陶瓷的適用難度較大，而AMB陶瓷覆銅工藝能直接適用于包括Al2O3、AlN、Si3N4在內(nèi)的各種類型的陶瓷。

功率模塊封裝所采用的塑料框架(Plastic Fram)必須達(dá)到很高的技術(shù)要求，如在工作溫度區(qū)間內(nèi)（如軌道交通用IGBT模塊長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為-55~125℃）具有較高的的拉伸強(qiáng)度且機(jī)械強(qiáng)度穩(wěn)定，能承受短期超過(guò)250℃的高溫以適用中低功率模塊的焊接工藝。此外所選用的材料必須具有很好的電氣絕緣性能，相對(duì)電痕指數(shù)(Comparative Tracking Index, CTI)要求較高且能承受高度的電磁污染，無(wú)鹵和氧化銻等害物質(zhì)且能滿足激光打標(biāo)等要求等。

IGBT模塊的塑封材料基本上采用PBT或PPS，但也有采用PPA、PA、LCP等材料的情況。日本通常使用PPS，而歐美則更喜歡采用PPA。目前市場(chǎng)上常見的殼體材料主要還是集中在PBT和PPS上。在耐溫要求不高的情況下，PBT仍然是被廣泛采用的材料。然而，對(duì)于高耐溫要求的器件，例如SiC運(yùn)行功率較高的情況下，通常需要采用高溫材料PPS或9T。

IGBT器件是功率變流裝置的核芯，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車、軌道交通、變頻家電、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，是電力電子最重要的大功率主流器件之一。

IGBT模塊的正常工作時(shí)溫度范圍是-40°C~150°C，所以要維持IGBT芯片的正常工作就需要散熱器幫助其散熱，IGBT功率模塊性能的提升很大程度上依賴散熱性能的改善。

鋁基碳化硅（AlSiC）被稱為金屬化的陶瓷材料，是一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用鋁合金作為基體，碳化硅作為增強(qiáng)體，充分結(jié)合了金屬鋁和陶瓷的不同優(yōu)勢(shì)，從出現(xiàn)伊始，就得到封裝熱管理行業(yè)的青睞，也是目前高功率IGBT模塊封裝最佳的選擇。

鋁基碳化硅散熱件