富士第7代IGBT模塊X系列

 近年來(lái)，為了防止化石燃料枯竭和全球變暖，人們正在追求提高能源利用率和減少二氧化碳排放方面作出了努力。包括了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等工業(yè)應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源等民生應(yīng)用，以及電動(dòng)汽車(chē)和鐵路、太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源應(yīng)用等，使用功率半導(dǎo)體器件的高效率電力變換裝置其適用領(lǐng)域和市場(chǎng)正在急速擴(kuò)大。在功率半導(dǎo)體器件中，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）模塊具有高速開(kāi)關(guān)、大功率高效率和容易操控的特征，它在其應(yīng)用領(lǐng)域中的使用不斷擴(kuò)大。

      富士電機(jī)的IGBT模塊在進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，憑借多項(xiàng)技術(shù)**實(shí)現(xiàn)了更低的損耗以及結(jié)構(gòu)的小型化。這些**在電力變換裝置的高效率、小型化、高性?xún)r(jià)比作出了貢獻(xiàn)。然而，IGBT模塊尺寸的小型化會(huì)導(dǎo)致IGBT模塊在高功率密度時(shí)，結(jié)溫升高和可靠性降低。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模塊的小型化和高效率，富士電機(jī)的第7代IGBT模塊「X系列」誕生。

特點(diǎn)1：新的芯片技術(shù)

圖1 

      圖1是第7代X系列的芯片和第6代V系列的芯片的剖面圖。由于第7代X系列IGBT采用了極薄的晶元制造技術(shù)（更薄的漂移層）和細(xì)微的溝槽柵結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)通電壓和開(kāi)關(guān)損耗得到進(jìn)一步降低，從而使得它在損耗方面的表現(xiàn)比我們第六代V系列IGBT有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。除此之外，還優(yōu)化了場(chǎng)截止層，這能夠更好的抑制電壓振蕩，降低了高溫下的漏電流。

特點(diǎn)2：新的封裝技術(shù)（Tvjop=175°C）

      富士電機(jī)的第7代X系列能夠在175°C條件下連續(xù)工作。這是我們?cè)跇I(yè)界率先達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了以下三個(gè)方面的改進(jìn)。

① 高散熱陶瓷絕緣基板

圖2

      陶瓷絕緣基板對(duì)芯片與外殼之間的熱阻影響是*大的，第7代IGBT模塊進(jìn)一步減小了絕緣基板的熱阻。第7代使用了比Al2O3（氧化鋁）更低熱阻的AlN（氮化鋁）作為絕緣基板。但是，常規(guī)AlN材料機(jī)械強(qiáng)度低，絕緣基板厚，具有高剛性。如果外殼溫度（Tc）升高時(shí)，則施加于基板下焊錫的熱應(yīng)力將增加，從而降低可靠性。如圖2所示：富士電機(jī)開(kāi)發(fā)了更薄的AlN陶瓷基板，并優(yōu)化陶瓷燒結(jié)條件。

圖3

      從圖3為 Al2O3基板和高散熱新AIN基板的熱阻比較可以得知，在相同的芯片尺寸上進(jìn)行比較，新的AlN基板比Al2O3基板熱阻降低了45%。

② 高耐熱硅凝膠

圖4

      要保證模塊有高的操作結(jié)溫，在高溫下，硅凝膠的可靠性必須要得到保證。富士電機(jī)開(kāi)發(fā)的新硅凝膠在高溫環(huán)境下放置（215°c，2000小時(shí)）沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。圖4為環(huán)境溫度和硅凝膠使用壽命的關(guān)系。橫軸是環(huán)境溫度（數(shù)值越小，溫度越高）、縱軸表示硅凝膠的壽命。在175℃下高耐熱硅凝膠的使用壽命比傳統(tǒng)的硅凝膠提高了5倍，并且壽命在10年以上。因此，確保了X系列模塊在175℃的高溫下絕緣性能可以與傳統(tǒng)產(chǎn)品在150℃條件下的絕緣性能具有相同的可靠性。

③高強(qiáng)度焊錫的開(kāi)發(fā)和綁定線(xiàn)直徑/長(zhǎng)度的優(yōu)化

      為了確保IGBT模塊長(zhǎng)期可靠性，有必要提高重復(fù)熱應(yīng)力的耐受能力（ΔTvj的功率循環(huán)耐量）。

      在IGBT模塊中，將絕緣陶瓷基板焊接在銅基板上，并且將IGBT/FWD芯片焊接在陶瓷基板上分的銅布線(xiàn)圖案上。然后半導(dǎo)體芯片和銅布線(xiàn)圖案通過(guò)鋁綁定線(xiàn)連接構(gòu)成回路。在電力變換裝置運(yùn)行期間，IGBT模塊溫度會(huì)升高，由于模塊內(nèi)的各種材料（銅、陶瓷、半導(dǎo)體芯片）的膨脹系數(shù)不同，所以在接合部位會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。在半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫Tvj反復(fù)上升下降的使用條件下，會(huì)重復(fù)施加熱應(yīng)力至芯片上方的綁定線(xiàn)和芯片下方焊接部分，導(dǎo)致劣化。Tvj越高，劣化的進(jìn)展速度越快。通過(guò)優(yōu)化綁定線(xiàn)的直徑和長(zhǎng)度、新開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度焊錫，在Tvj,max=150℃、ΔTvj=50℃條件下，第7代是第6代壽命的2倍。

特點(diǎn)3：額定電流的提升和模塊的小型化

圖5

      通過(guò)減少損耗、高功率密度和高溫工作，可以用同一封裝來(lái)提升電流額定值。如圖5所示，1200系列的EP2封裝中，第6代V系列的*大額定電流為50A，而在第7代X系列中，*高額定電流已擴(kuò)大到75A。該效果可以在不改變的電力變換裝置中的殼體尺寸的情況下增加輸出功率。

圖6

      另一方面，擴(kuò)大IGBT模塊的額定電流，也有助于電力變換裝置的小型化。在第6代V系列模塊中，額定1200V/75A的IGBT模塊使用EP3的封裝（122mm x 62mm），但在第7代X系列中，可以將相同額定值的IGBT模塊裝入EP2封裝（107.5mm x 45mm）。這個(gè)模塊的封裝面積（安裝尺寸）減少了36%。在損耗方面如圖6所示，第7代EP2的封裝比第6代EP3的封裝的損耗減少10%。從而實(shí)現(xiàn)了模塊的小型化。

      富士電機(jī)一直在致力于技術(shù)的**，在環(huán)境和能源領(lǐng)域做出自己的貢獻(xiàn)。