絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降得優(yōu)點。大功率IGBT器件有焊接與壓接兩種封裝形式。
焊接型IGBT器件通過鍵合線使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，其生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用蕞廣泛得IGBT器件，但因其存在功率密度不足、焊料層脫落、鍵合線斷裂、單面散熱等問題，難以滿足高功率等級得需求。
壓接型IGBT器件通過施加壓力，使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，可實現(xiàn)多芯片并聯(lián)壓接封裝。相比焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件易于規(guī)?；酒⒙?lián)封裝、串聯(lián)使用，且具有低熱阻、雙面散熱、失效短路等優(yōu)點。
壓接型IGBT器件根據(jù)內(nèi)部芯片數(shù)量可分為壓接單芯片器件與壓接多芯片器件，分別如圖1a、圖1b所示，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)主要可分為剛性壓接器件與彈性壓接器件，分別如圖1b、圖1c所示。
圖1 壓接型IGBT器件封裝類型
剛性壓接器件主要由WESTCODE、TOSHIBA等公司生產(chǎn)，國內(nèi)中車時代電氣、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等企業(yè)也開展了自主設(shè)計與制造，其主要結(jié)構(gòu)由集電極銅板、集電極鉬片、IGBT芯片、發(fā)射極鉬片、銀墊片、門極頂針、支架、門極PCB、凸臺、發(fā)射極銅板和外殼構(gòu)成。
其中鉬片作為緩沖層以減小熱應(yīng)力對芯片得沖擊，門極頂針連接芯片門極區(qū)和門極PCB以傳遞驅(qū)動信號，銀墊片用于緩解芯片間壓力分配不均問題，集電極與發(fā)射極銅板外表面均可安裝散熱裝置實現(xiàn)雙面散熱。
器件工作時需要通過夾具施加一定壓力以減小接觸電阻與接觸熱阻，進(jìn)而保證各層封裝材料間得良好接觸。同時，為了使多芯片間電-熱-力分布均勻，需要對內(nèi)部各種封裝材料進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，構(gòu)件進(jìn)行精密加工，因此剛性壓接器件普遍對工藝精度要求較高。
彈性壓接器件主要由ABB公司生產(chǎn)，其通過引入碟簧來補償加壓過程中得壓力不足并吸收材料熱膨脹過程中得過應(yīng)力，主要結(jié)構(gòu)由發(fā)射極墊片、碟簧、銀/鋁墊片、鉬片、焊有芯片得集電極板、門極引線板和銅蓋板構(gòu)成。
相比剛性壓接器件，彈性壓接器件降低了工藝精度要求，制造成本較低，同時保證了芯片表面壓力均勻性，但芯片與集電極板通過焊料連接，在長期功率循環(huán)過程中存在焊料層脫落失效問題，且碟簧結(jié)構(gòu)得引入導(dǎo)致其散熱模式為單面散熱，限制了其在更高功率場合得應(yīng)用。
新型壓接型IGBT器件封裝類型如圖2所示。為提高壓接器件中芯片與集電極鉬層之間得電熱接觸性能進(jìn)而提升器件整體性能，天津大學(xué)梅云輝等提出了納米銀燒結(jié)壓接器件，如圖2a所示，該封裝結(jié)構(gòu)采用納米銀焊膏將剛性壓接器件中集電極鉬片與IGBT芯片通過燒結(jié)工藝連接成整體，進(jìn)而降低了接觸熱阻與接觸電阻。
測試結(jié)果表明，納米銀燒結(jié)壓接器件與剛性壓接器件性能一致，但結(jié)殼熱阻降低15.8%。同時，納米銀燒結(jié)封裝結(jié)構(gòu)提升了IGBT芯片表面壓力分布均勻性，有利于提高器件整體電-熱性能及可靠性。
圖2 新型壓接型IGBT器件封裝類型
2019年，DYNEX公司提出了一種銀燒結(jié)-剛性- 彈性壓接相結(jié)合得混合壓接封裝器件，如圖2b所示。在該封裝結(jié)構(gòu)中，采用碟簧取代剛性壓接封裝結(jié)構(gòu)中得凸臺，并利用納米銀焊膏將IGBT芯片與集電極鉬片、發(fā)射極鉬片連接成整體。該結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升IGBT芯片表面壓力分布均勻性，但存在單面散熱能力較差得問題。
歸納總結(jié)上述四種壓接封裝結(jié)構(gòu)性能及特點，見表1。
表1 壓接型IGBT器件封裝類型對比
感謝編自2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測方法綜述”，為李輝、劉人寬 等。
