IGBT模組散熱基板

IGBT模組散熱產品IGBT元件的電氣效能、熱條件決定它們的內部結構。

熱條件相對更重要,IGBT的儲存和工作溫度可以從-55-175℃(2010年)。

使用…… 首頁>科技>CIME-China2021-03-2608:54 IGBT模組散熱基板 IGBT模組散熱產品 IGBT元件的電氣效能、熱條件決定它們的內部結構。

熱條件相對更重要,IGBT的儲存和工作溫度可以從-55-175℃(2010年)。

使用的材料必須在整個溫度範圍內令人滿意。

塑膠,陶瓷,金屬(主要是銅和鋁)和矽膠必須可靠,無論單獨使用還是與其他材料結合使用的情況下,都不能損害半導體晶片。

由於IGBT器件工作的電壓和電流不同,所以採用的製造方式也多種多樣。

除了基板、DCB和半導體,阻斷電壓高達1.2kV和工作電流40A的分立IGBT或IGBT模組通常採用複合元件的封裝技術,並有相對應的平行解決方案。

在同樣的功率範圍內,同等電壓和電流下,也有透過矽膠固定的塑膠框架封裝結構。

目前,製造商更傾向於後一種封裝結構。

老一代的IGBT模組仍然在使用,這些器件一般是塑膠框架和蓋板結構,然後透過矽膠固定,最後注入環氧樹脂。

圖1給出了含有基板的標準IGBT的結構。

還有一種被稱為壓裝的改進型封裝結構,常用於高效能閘流體的封裝。

圖1含有基板的標準IGBT的結構 IGBT模組塑膠框架 所有IGBT模組框架的材質都是塑膠,這些塑膠必須滿足很高的需求規範。

首先,在工作溫度內,封裝塑膠必須是機械穩定的,且抗拉強度高。

另一個關鍵是環境溫度,例如在電力牽引中,可能在-55-125℃的環境溫度下工作。

此外,特別是在中低功率內,許多IGBT元件直接焊接到印製電路板上。

在焊接過程中,IGBT部件的焊接接頭有可能導致塑膠框架上的溫度超過250℃。

IGBT部件的封裝必須能夠保證在焊接過程中不被損壞。

第三,塑膠必須絕緣。

為了在工作過程中保持足夠的爬電距離(封裝中)和承受高度電磁汙染,需要高CTI值。

採用的塑膠還必須符合國際標準和規範。

雖然電力電子元件的製造商分佈在世界各地，但是他們的產品必須符合NFF、UL、CSA、CCC、IEC、EN和VDE標準。

例如,在電力牽引中使用的IGBT模組必須符合NFF16101(法國防火標準)。

根據UL94VO,所有塑膠即使很薄也必須具有自熄性。

它們還必須符合UL1557(半導體器件電氣絕緣標準)、IEC60749(機械和環境試標準)、IEC60747-15(分立器件-第15部分絕緣半導體器件)。

最後但同樣重要的是,塑膠,特別是在中低功率應用中,必須符合RoHs規範。

該規範規定,這些材料不能含有滷和氧化銻等害物質。

理想情況下,所使用的塑膠必須不吸收任何水分,並且能夠被列印上標籤(例如鐳射打標)。

聚合物塑膠可以滿足這些嚴格的要求。

有些標準聚合物無法滿足這些要求，如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)及PVC(聚氯乙烯),所以無法應用於電力電子器件中。

有些塑膠如PPS(聚苯硫醚)和PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)可用於標準IGBT模組和IPM中。

PPS是一種耐高溫的熱塑性材料,在持續使用情況下可以承受240℃高溫,短時內(例如在焊接時)可以承受270℃的高溫而不會損壞。

PPS作為具有高CTI值的非導體,其有優異的電氣絕緣性。

PBT是另一種熱塑性材料,可以工作在-50-150℃,這也是電力電子器件典型的工作溫度範圍,它也能承受高達280℃的峰值溫度。

PBT是一種剛性材料,具有很高的硬度,並且不容易變形。

此外,它具有摩擦係數大，耐磨性很強及電絕緣性良好等特點。

但是,相比於PPS,PBT的CI值較低。

PPA(聚鄰苯二甲)、PA(聚醯胺)和PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)塑膠越來越多地應用於2.5~6.5kV的高壓IGBT模組中。

這些塑膠符合NFF16101標準,具有很好的電氣絕緣性,且CTI值大於400。

IGBT模組基板 在小功率的應用中,IGBT模組(DCB或IMS模組)通常沒有基板。

而在大中功率的應用中,IGBT幾乎都有一個基板。

基板通常是用銅製成的,厚度為3~8mm,同時具有3~10µm的鎳鍍層。

當然也可以用其他替代性的材料作為基板,比如ASIC(碳化矽鋁),或並不頻繁使用的Cu/Mo(銅鉬)合金。

圖1給出了安裝示例。

圖1安裝示例 基板通常不是平坦的,而是稍微彎曲,可以是凸面或凹面。

當基板隨著溫度的上升而膨脹時,這個有意的彎曲可以確保基板與冷卻介質有最佳的熱接觸。

這種膨脹不同於DCB的膨脹,內外溫差會導致基板的熱脹冷縮。

顯而易見,生產商通常的做法是最佳化基板與冷卻介質之間的熱阻,使其在高溫下更小。

低溫下,熱阻的最佳化是次要的。

IGBT模組的DCB襯底功能 DCB(直接覆銅)襯底,或僅僅DCB,是電力電子領域使用最廣泛的襯底材料。

自從IGBT模組開始製造以來,其就開始使用DCB。

最初,DCB襯底只用於銅基板。

如今,DCB是很多IGBT模組的解決方案,甚至沒有基板的模組也需要襯底。

DCB襯底包括絕緣陶瓷及其附著的銅,這些純銅在高溫下熔化,然後透過擴散過程附著在陶瓷上,具有很強的粘合強度,如圖1所示。

DCB用於銅表面塗層,或再在銅表面鍍鎳。

在焊接過程中,為了防止半導體晶片位置發生偏移,有的廠家還在DCB上增加了層阻焊劑。

常用的陶瓷主要有氧化鋁(Al2O3),氮化鋁(AIN),有時候用氮化矽(Si3N4)。

襯底在IGBT模組中扮演著重要的角色,因為相比於其他絕緣材料,它們具有更低的熱阻(氧化鋁:24W/(m·K),氮化鋁：130~180W/(m·K))和優越的比熱容,且銅塗層具有良好的熱傳導特性。

因為氧化鋁(7.1ppm/K)和氮化鋁(4.1ppm/K)的熱膨脹係數遠低於金屬和塑膠的熱膨脹係數,所以更適合用於矽半導體(4.0ppm/K)的襯底,確保晶片受到更低的機械應力。

由於襯底採用了純銅,並由底板或散熱器散熱,所以即使對於具有高達3.6kA額定電流的IGBT模組來說,DCB也具有足夠的電流容量。

可以在印製電路板同一層上實現佈局,首先在表面鍍鎳和鎳/金合金,然後增加阻焊層。

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