IGBT模块散热基板_塑料 - 手机搜狐网

除了基板、DCB 和半导体, 阻断电压高达1.2kV 和工作电流40A 的分立IGBT 或IGBT 模块通常采用复合组件的封装技术, 并有相对应的平行解决方案。

IGBT模块散热基板 2020-04-2907:43 来源:汽车传动系统之家 原标题：IGBT模块散热基板 IGBT模块散热产品 IGBT元件的电气性能、热条件决定它们的内部结构。

热条件相对更重要,IGBT的存储和工作温度可以从-55-175℃(2010年)。

使用的材料必须在整个温度范围内令人满意。

塑料,陶瓷,金属(主要是铜和铝)和硅胶必须可靠,无论单独使用还是与其他材料结合使用的情况下,都不能损害半导体芯片。

由于IGBT器件工作的电压和电流不同,所以采用的制造方式也多种多样。

除了基板、DCB和半导体,阻断电压高达1.2kV和工作电流40A的分立IGBT或IGBT模块通常采用复合组件的封装技术,并有相对应的平行解决方案。

在同样的功率范围内,同等电压和电流下,也有通过硅胶固定的塑料框架封装结构。

目前,制造商更倾向于后一种封装结构。

老一代的IGBT模块仍然在使用,这些器件一般是塑料框架和盖板结构,然后通过硅胶固定,最后注入环氧树脂。

图1给出了含有基板的标准IGBT的结构。

还有一种被称为压装的改进型封装结构,常用于高性能晶闸管的封装。

图1含有基板的标准IGBT的结构 IGBT模块塑料框架 展开全文 所有IGBT模块框架的材质都是塑料,这些塑料必须满足很高的需求规范。

首先,在工作温度内,封装塑料必须是机械稳定的,且抗拉强度高。

另一个关键是环境温度,例如在电力牵引中,可能在-55-125℃的环境温度下工作。

此外,特别是在中低功率内,许多IGBT元件直接焊接到印制电路板上。

在焊接过程中,IGBT部件的焊接接头有可能导致塑料框架上的温度超过250℃。

IGBT部件的封装必须能够保证在焊接过程中不被损坏。

第三,塑料必须绝缘。

为了在工作过程中保持足够的爬电距离(封装中)和承受高度电磁污染,需要高CTI值。

采用的塑料还必须符合国际标准和规范。

虽然电力电子组件的制造商分布在世界各地，但是他们的产品必须符合NFF、UL、CSA、CCC、IEC、EN和VDE标准。

例如,在电力牵引中使用的IGBT模块必须符合NFF16101(法国防火标准)。

根据UL94VO,所有塑料即使很薄也必须具有自熄性。

它们还必须符合UL1557(半导体器件电气绝缘标准)、IEC60749(机械和环境试标准)、IEC60747-15(分立器件-第15部分绝缘半导体器件)。

最后但同样重要的是,塑料,特别是在中低功率应用中,必须符合RoHs规范。

该规范规定,这些材料不能含有卤和氧化锑等害物质。

理想情况下,所使用的塑料必须不吸收任何水分,并且能够被打印上标签(例如激光打标)。

聚合物塑料可以满足这些严格的要求。

有些标准聚合物无法满足这些要求，如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)及PVC(聚氯乙烯),所以无法应用于电力电子器件中。

有些塑料如PPS(聚苯硫醚)和PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)可用于标准IGBT模块和IPM中。

PPS是一种耐高温的热塑性材料,在持续使用情况下可以承受240℃高温,短时内(例如在焊接时)可以承受270℃的高温而不会损坏。

PPS作为具有高CTI值的非导体,其有优异的电气绝缘性。

PBT是另一种热塑性材料,可以工作在-50-150℃,这也是电力电子器件典型的工作温度范围,它也能承受高达280℃的峰值温度。

PBT是一种刚性材料,具有很高的硬度,并且不容易变形。

此外,它具有摩擦系数大，耐磨性很强及电绝缘性良好等特点。

但是,相比于PPS,PBT的CI值较低。

PPA(聚邻苯二甲)、PA(聚酰胺)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料越来越多地应用于2.5~6.5kV的高压IGBT模块中。

这些塑料符合NFF16101标准,具有很好的电气绝缘性,且CTI值大于400。

IGBT模块基板 在小功率的应用中,IGBT模块(DCB或IMS模块)通常没有基板。

而在大中功率的应用中,IGBT几乎都有一个基板。

基板通常是用铜制成的,厚度为3~8mm,同时具有3~10µm的镍镀层。

当然也可以用其他替代性的材料作为基板,比如ASIC(碳化硅铝),或并不频繁使用的Cu/Mo(铜钼)合金。

图1给出了安装示例。

图1安装示例 基板通常不是平坦的,而是稍微弯曲,可以是凸面或凹面。

当基板随着温度的上升而膨胀时,这个有意的弯曲可以确保基板与冷却介质有最佳的热接触。

这种膨胀不同于DCB的膨胀,内外温差会导致基板的热胀冷缩。

显而易见,生产商通常的做法是优化基板与冷却介质之间的热阻,使其在高温下更小。

低温下,热阻的优化是次要的。

IGBT模块的DCB衬底功能 DCB(直接覆铜)衬底,或仅仅DCB,是电力电子领域使用最广泛的衬底材料。

自从IGBT模块开始制造以来,其就开始使用DCB。

最初,DCB衬底只用于铜基板。

如今,DCB是很多IGBT模块的解决方案,甚至没有基板的模块也需要衬底。

DCB衬底包括绝缘陶瓷及其附着的铜,这些纯铜在高温下熔化,然后通过扩散过程附着在陶瓷上,具有很强的粘合强度,如图1所示。

DCB用于铜表面涂层,或再在铜表面镀镍。

在焊接过程中,为了防止半导体芯片位置发生偏移,有的厂家还在DCB上增加了层阻焊剂。

常用的陶瓷主要有氧化铝(Al2O3),氮化铝(AIN),有时候用氮化硅(Si3N4)。

衬底在IGBT模块中扮演着重要的角色,因为相比于其他绝缘材料,它们具有更低的热阻(氧化铝:24W/(m·K),氮化铝：130~180W/(m·K))和优越的比热容,且铜涂层具有良好的热传导特性。

因为氧化铝(7.1ppm/K)和氮化铝(4.1ppm/K)的热膨胀系数远低于金属和塑料的热膨胀系数,所以更适合用于硅半导体(4.0ppm/K)的衬底,确保芯片受到更低的机械应力。

由于衬底采用了纯铜,并由底板或散热器散热,所以即使对于具有高达3.6kA额定电流的IGBT模块来说,DCB也具有足够的电流容量。

可以在印制电路板同一层上实现布局,首先在表面镀镍和镍/金合金,然后增加阻焊层。

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