摘要: IGBT模塊已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè). 現(xiàn)在系統(tǒng)的發(fā)展越來越要求功率電子器件具有更高的功率密度,更優(yōu)化的電性能,更高的可靠性及簡單的安裝方法. 在現(xiàn)有的產(chǎn)品上進(jìn)行優(yōu)化,兼容的同時保證高的可靠性,已成為功率模塊開發(fā)的目標(biāo). 關(guān)鍵詞:薄型封裝,雜散電感, IGBT模塊, 可靠性 1.前言 基于94＊34mm封裝的IGBT模塊在過去的十多年中已經(jīng)在眾多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。從此各大公司在兼容這個模塊尺寸的同時不斷推出自己的模塊封裝形式。南京銀茂微電子推出了34mm簿型低電感的模塊（下文稱T1封裝）。 T1 采用了高功率密度設(shè)計(jì)，并根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用需求，選擇最佳的IGBT和FRD的芯片組合, 使新型模塊與同等安裝尺寸的傳統(tǒng)功率模塊相比，電流輸出能力更高，關(guān)斷峰值電壓更低。同時，功率端子的無釬焊極大地提高了模塊在環(huán)境溫度循環(huán)和功率循環(huán)條件下端子連接的可靠性，為系統(tǒng)可靠性的提升提供了基礎(chǔ)（圖1是T1模塊（左）和其他公司模塊（右）的實(shí)物和外形尺寸比較） [b]2.材料 [/b] T1封裝模塊的外殼采用高強(qiáng)度材料,嚴(yán)格控制端子電鍍工藝 ,保證模塊在長期高溫條件下使用時外殼的牢固 ,并配有獨(dú)特的蓋板設(shè)計(jì)保證了使用過程中的安全. [b]3.RoHS工藝 [/b] 新型模塊的生產(chǎn)工藝使用了無鉛工藝,端子和DBC采用無焊接工藝,是符合了RoHS要求的綠色產(chǎn)品. [b]4.端子無焊接工藝 [/b] 5.功率循環(huán)能力 在功率模塊的實(shí)際應(yīng)用中 ,模塊的可靠性主要受到熱應(yīng)力的影響, 如電機(jī)的滿載和輕載的變化,變頻器輸出頻率的變化,這些變化都會產(chǎn)生溫度的變化,材料間存在不同的熱膨脹系數(shù),釬焊在熱應(yīng)力下很容易疲勞,導(dǎo)致端子脫落失效,T1封裝通過端子和DBC之間采用超聲波鍵合工藝,大幅提高了功率端子的負(fù)載循環(huán)能力.（圖3是端子采用焊接的模塊與T1模塊在不同殼溫變化下功率循環(huán)的能力） 6.新型低電感功率端子設(shè)計(jì) T1新型模塊的功率端子擯棄了釬焊與DBC基板的連接方式,而是采用了高純度鋁線超聲波鍵合的方式，使兩者之間的應(yīng)力大為降低。由于省卻了傳統(tǒng)的S型設(shè)計(jì),端子的長度減少了1/3,從而減少了模塊本身的寄生電感和端子的電阻。相比傳統(tǒng)34mm封裝的端子,電感降低了30%,優(yōu)化了關(guān)斷特性,同時也降低了使用過程中在端子上所產(chǎn)生的功耗. 采用新型端子設(shè)計(jì)可以減少內(nèi)部安裝的空間。因?yàn)椴恍枰F焊,有效的節(jié)省的DBC上芯片布局空間,使得芯片空間布局更加優(yōu)化,模塊電流密度更高.平衡了線路的設(shè)計(jì).信號端子采用DBC走線和鍵合工藝,優(yōu)化了信號的對稱型,相比傳統(tǒng)的飛線焊接,簡化了工藝，并減小了門極寄生電感和電阻.（圖6是T1模塊的內(nèi)部端子安裝結(jié)構(gòu)） 7.開關(guān)特性 新的T1封裝設(shè)計(jì)推出了低損耗,快速,標(biāo)準(zhǔn)等IGBT模塊,適用于變頻器,電機(jī)控制,焊機(jī)、感應(yīng)加熱、開關(guān)電源和UPS等不同要求的系統(tǒng)。通過在高溫下測試模塊的動態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)新的薄型端子無焊接的封裝設(shè)計(jì)大大降低了器件的開關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗,優(yōu)化RBSOA等特性及減小了關(guān)斷時的電壓過沖. [align=center]Ch1:IC=30A/div;ch2:Vcc=200V/div; 圖7.T1封裝與標(biāo)準(zhǔn)的封裝關(guān)斷特性波形比較Tj=125℃ [/align] 圖７是在相同的測試裝置和測試條件下測得2種低損耗器件的關(guān)斷波形,由圖可以得出T1的電壓過沖△Vc1=180V; DLC封裝的電壓過沖△Vc2=220V 所以計(jì)算得出: T1封裝模塊: di/dt=72A/0.386us=187A/us △Vc1=L1＊di/dt L1=△Vc1/di/dt=180V/187A/us=960nH DLC封裝: di/dt=72/0.320us=225A/us △Vc2=L2＊di/dt L2=△Vc2/di/dt=220V/225A/us=978nH 相同裝置的測試條件下，模塊電感差異△L=978-960=18nH. [b]頻率特性 [/b] 薄型低電感封裝設(shè)計(jì)降低了模塊的開關(guān)損耗,芯片空間布局的優(yōu)化減小熱阻特性,保證模塊具有更高的頻率電流輸出特性.圖９比較了兩種低損耗ＩＧＢＴ模塊在不同開關(guān)頻率下的有效輸出電流，由圖可以看出在相同頻率下T1模塊的輸出電流能力更高，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者留下更多的余量考慮。 8.新型封裝更適用于高頻快速型IGBT模塊 通常在開關(guān)頻率超過20kHz的應(yīng)用領(lǐng)域,一般要求功率器件具有優(yōu)異的高速開關(guān)性能,然而隨著使用這些功率器件所使用系統(tǒng)的不同,主電路和控制方法也隨之變化,很多時候不僅需要模塊搭載上的高速芯片,同時也需要在高頻下封裝與設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,所以T1封裝的優(yōu)勢在高頻器件上表現(xiàn)的尤其突出,為醫(yī)療設(shè)備和逆變焊機(jī)的使用提供了更大電流輸出能力. 通過測試GF100HF120T1的在高溫下的開關(guān)損耗可以得出,在Vcc=600V,IC=100A時Eon=8.5mJ,Eoff=5.2mJ,總的開關(guān)損耗只有13.7mJ,使器件在高頻時表現(xiàn)更好的動態(tài)特性。圖１１比較了三種快速ＩＧＢＴ模塊的頻率輸出特性，可見Ｔ１模塊在同等電流輸出條件下，具有最低的溫升。 9. 優(yōu)化安裝空間 為了使模塊能向周圍更好的散熱,基板與散熱器之間有良好的接觸,所以基板通過機(jī)械處理后形成一個曲面，更好保證安裝時與散熱器之間的接觸，標(biāo)準(zhǔn)的孔距80mm可以是用戶不需要更改散熱器的安裝孔,直接安裝模塊.薄型的外殼高度只要21.5mm,為客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低模塊安裝的高度,縮短了功率端子使用的連接線和銅排.與傳統(tǒng)的安裝方式并沒有發(fā)生更多的變化,可以采用相同的安裝順序及操作要求. 結(jié)論: 節(jié)能、減排和充分利用綠色能源是我國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。而各種節(jié)能裝置的小型化、智能化趨勢越來越要求新的功率器件向高功率密度，低熱損耗和高可靠性方向發(fā)展.南京銀茂微電子開發(fā)的T1薄型封裝模塊,降低了內(nèi)部電感和熱應(yīng)力,給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者節(jié)省了空間。而根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片技術(shù),最大限度地發(fā)揮了功率模塊的效能。