1 引言
從1900年開(kāi)始，基板尺寸為130×140mm或190×140mm的igbt高功率模塊ihm，就已經(jīng)為同類產(chǎn)品設(shè)置了機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)。從那時(shí)起，所有領(lǐng)先供應(yīng)商都根據(jù)這一機(jī)械尺寸（如基板尺寸和附著點(diǎn)）提出了自己的藍(lán)圖。很難想象如果沒(méi)有這一標(biāo)準(zhǔn)化的元件，今天的高功率變頻器設(shè)計(jì)會(huì)是什么樣子?，F(xiàn)在，英飛凌又發(fā)布了下一代ihm，其中融合了最新的設(shè)計(jì)、材料、焊接和安裝技術(shù)。首批ihm b模塊將搭載最新的3.3kv igbt3場(chǎng)終止加溝槽柵的芯片。

2 高性能的新型ihm b模塊介紹
2.1 ihm b外殼技術(shù)
與現(xiàn)有ihm的電氣和機(jī)械接觸點(diǎn)（螺絲和引出端位置）完全兼容，是對(duì)新設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求。通過(guò)對(duì)底板重新布局，并使用鍵合技術(shù)替代內(nèi)部pcb來(lái)實(shí)現(xiàn)底板的互聯(lián)，可簡(jiǎn)化內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)。通過(guò)提高自動(dòng)化程度、減少元件數(shù)量和手工步驟，可提高質(zhì)量和長(zhǎng)期成本效益。具有滑蓋的一體化外殼簡(jiǎn)化了安裝，并允許使用一種新型的引出端。ihm a和ihm b外殼圖1所示。

圖1 ihm a和ihm b外殼的比較

2.2 rohs
新型的ihm b外殼所使用的材料符合rohs（限制使用某些有害物質(zhì)）標(biāo)準(zhǔn)。雖然高功率電子產(chǎn)品不在這一指令所規(guī)定的范圍之內(nèi)，但英飛凌已經(jīng)制定了一個(gè)比rohs要求更為嚴(yán)格的綠色產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，只允許新設(shè)計(jì)使用未添加溴化阻燃劑的無(wú)汞、無(wú)鎘、無(wú)六價(jià)鉻材料和無(wú)鉛的外部焊接管腳。
2.3 突破低、高溫度極限
（1）超低溫特性
不久的將來(lái)，俄羅斯將成為牽引應(yīng)用的一個(gè)新興市場(chǎng)。將貯存溫度降低至現(xiàn)有模塊-40℃的水平以下，是對(duì)能夠在西伯利亞正常工作的產(chǎn)品的一個(gè)特殊要求，但目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的模塊不能滿足這一要求。一種特制的可塑性更好的硅膠擴(kuò)大了ihm b的溫度范圍，使最低溫度降低到-50℃。
（2）超高溫特性及試驗(yàn)
● 通過(guò)加速壽命試驗(yàn)（也被稱作熱沖擊試驗(yàn)）進(jìn)行驗(yàn)證了ihm b溫度范圍和超高溫特性。通過(guò)雙箱試驗(yàn)使環(huán)境溫度在最低-50℃和最高150℃的貯存溫度之間發(fā)生變化，對(duì)模塊施加最大的熱應(yīng)力。試驗(yàn)證實(shí)，即使在最壞情況下，材料之間不同的熱膨脹系數(shù)也不會(huì)導(dǎo)致材料和連接的損壞。
● 在高溫端，提高結(jié)溫，使最大開(kāi)關(guān)工作溫度超過(guò)現(xiàn)有模塊125℃的水平，可獲得更大的電流傳導(dǎo)能力和功耗，還對(duì)ihm b中所使用的新型元件連接技術(shù)和焊接技術(shù)將最大結(jié)溫提高到t_vjop,max=150℃，使其連續(xù)工作驗(yàn)證了該芯片的超高溫特性。
（3）功率循環(huán)試驗(yàn)
除把最大結(jié)溫提高到t_vjop,max=150℃水平上通過(guò)使其連續(xù)工作來(lái)驗(yàn)證芯片外，還進(jìn)行了功率循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)結(jié)不斷施加以幾秒為周期進(jìn)行功率循環(huán)試驗(yàn)，使其不斷達(dá)到t_jmax的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，ihm b在150℃的峰值溫度下能達(dá)到與普通的ihm a模塊在125℃的峰值溫度下相同的功率循環(huán)能力?；蛘哒f(shuō)，ihm b在125℃的峰值溫度下的功率循環(huán)能力是ihm a的兩倍。ihm a在t_jmax=125℃和ihm b在t_jmax=150℃下的功率循環(huán)能力試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 ihm a在t_jmax=125℃和ihm b在t_jmax=150℃下的功率循環(huán)能力

3 ihm b模塊的新型引出端設(shè)計(jì)
由于新型芯片技術(shù)使得電流密度不斷增加，現(xiàn)有的模塊必須要能容納標(biāo)稱電流值高達(dá)3600a的1200v和1700v芯片。
3.1 ihm a模塊的缺陷與局限
（1）一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算得出了一個(gè)令人震驚的數(shù)字：一個(gè)140×190mm ihm a的引腳電阻為0.12mω。假設(shè)有一個(gè)大小在模塊額定電流范圍內(nèi)的均方根相電流，則引腳上的功耗總共將高達(dá)770w。
（2）ihm a的引出端是被焊接到底板上，并且在主平面上彎曲，來(lái)對(duì)外力進(jìn)行機(jī)械去耦。集電極和發(fā)射極的引出端是一致的，并且安裝時(shí)要旋轉(zhuǎn)180°。因此必須使用長(zhǎng)孔。
3.2 ihm b模塊新型引出端設(shè)計(jì)
（1）在ihm b中通過(guò)使用直徑更寬的銅線，使功率引出端的引腳電阻降低了45%。
（2）為了使引出端與散熱器和匯電桿之間能更好地散熱，還采取了其它一些措施。新型引出端在安裝時(shí)已經(jīng)彎曲。用圓孔來(lái)取代以前必須用來(lái)對(duì)引出端的位置排列進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)孔，增加了接觸面積。圖3示出了 ihm a和ihm b的引出端設(shè)計(jì)對(duì)比。

圖3 ihm a和ihm b的引出端設(shè)計(jì)對(duì)比

ihm b引出端較大的焊接表面增大了到基板的熱流，彎曲能滿足引出端所需的柔韌性，起到足夠地減緩應(yīng)力的作用，并且還不會(huì)限制熱流。參考文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行了一系列熱相關(guān)計(jì)算，證明了這些措施的有效性。為了支持所需的低感應(yīng)變頻器設(shè)計(jì)，對(duì)ihm b模塊中的電流循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化。內(nèi)部模塊的雜散電感被降低了40%以上。圖4是在i=300a和t_h=80℃的條件下，ihm a和ihm b功率引出端的溫度分布示意圖，充分說(shuō)明了ihm b功率引出端設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 在i=300a和t_h=80℃的條件下，ihm a和ihm b功率引出端的溫度分布

4 ihm b模塊的全新工藝設(shè)計(jì)
4.1 ihm b模塊全新芯片布局
如圖4所示，由于ihm b在模塊中央采用了新型的引出端，模塊內(nèi)部的芯片也需要被重新布局。圖5示出了搭載第2代3.3kv芯片的ihm a和搭載3.3kv igbt3芯片的ihm b的布局對(duì)比。

圖5　搭載第2代3.3kv芯片的ihm a和搭載3.3kv igbt3芯片的ihm b的布局對(duì)比

最顯著的變化是二極管芯片的數(shù)量從兩個(gè)增加到四個(gè)。在電學(xué)有效面積保持不變的情況下，熱有效面積得到了顯著增大。雖然igbt芯片的數(shù)量保持不變，但現(xiàn)在芯片被更緊湊地放置在一起。芯片與基板螺絲更靠近并且距離基本相等，這就使得與散熱器的熱接觸更加理想，從而補(bǔ)償了由于芯片間均勻的溫度分布所引起的熱傳遞速率的降低。
4.2 igbt和二極管部分的平衡
由于牽引應(yīng)用需要尺寸足夠大的二極管來(lái)進(jìn)行再生操作，因此需要特別注意igbt和二極管部分的平衡利用。對(duì)開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗，以及熱阻rth_jc和rth_chs的仔細(xì)調(diào)節(jié)，有助于在功率因子為1或-1時(shí)，得到相同的電流利用率。圖6是使用紅外測(cè)量技術(shù)比較同等功率下igbt和二極管芯片的溫度圖。

圖6　使用紅外測(cè)量技術(shù)比較同等功率下igbt和二極管芯片的溫度

4.3 簡(jiǎn)化安裝設(shè)計(jì)
要使芯片能向周?chē)h(huán)境適當(dāng)?shù)厣?，需要在基板到散熱器之間形成有效的熱流。兩個(gè)部件之間必須有良好的力接觸，這對(duì)于那些被放置在模塊中央遠(yuǎn)離螺絲位置的芯片尤為重要。通過(guò)模塊基板的彎曲能實(shí)現(xiàn)這一壓力；基板實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后具有正曲率。但另一方面，基板的彎曲在安裝過(guò)程中會(huì)對(duì)模塊施加機(jī)械應(yīng)力。這將增大陶瓷底板破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于目前的模塊，必須遵守經(jīng)過(guò)精心定義的螺絲安裝次序，這樣在安裝過(guò)程中，模塊才能緩慢地松弛，并且使其突出的形狀適用散熱器的輪廓。平面基板能降低所需的松弛率，因此陶瓷底板破裂的風(fēng)險(xiǎn)也小得多。
由于ihm b模塊中芯片沿長(zhǎng)邊沿放置，并且更靠近螺絲孔，因此由基板彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力變得不再那么重要。由于螺絲已經(jīng)能夠帶來(lái)很好的接觸，因此可以使用曲率幾乎為零的平面基板。這將大大簡(jiǎn)化安裝步驟。
ihm b的全新安裝工藝設(shè)計(jì)，使其不需要遵守嚴(yán)格的螺絲擰緊次序。可以按照任意次序緊固螺絲。使用機(jī)械強(qiáng)度更高的新型陶瓷底板材料，進(jìn)一步提升了這一解決方案的健壯性。除提高強(qiáng)韌性之外，這些措施還可以讓用戶在安裝過(guò)程不再那么“謹(jǐn)小慎微”。
4.4 3.3kv igbt3芯片工藝特點(diǎn)
（1）igbt3芯片與新型外殼這一技術(shù)已在額定電壓為600v、1200v和1700v的產(chǎn)品中得以使用。這種結(jié)構(gòu)使用一種經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化的溝槽柵單元，來(lái)滿足3300v額定電壓下對(duì)于過(guò)電流關(guān)斷和短路可靠性的要求。
（2）與平面單元相比，溝槽柵單元的設(shè)計(jì)帶來(lái)了器件正面的存儲(chǔ)電荷載流子的增多，開(kāi)態(tài)損耗減小。通過(guò)對(duì)單元尺寸和間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，在開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之間尋求最佳平衡，可滿足產(chǎn)品的不同要求。大家知道，過(guò)高的載流子濃度會(huì)增大關(guān)斷延遲，并減小關(guān)斷時(shí)的電壓變化率，從而導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，并且還無(wú)法對(duì)電壓過(guò)沖進(jìn)行很好的控制。
（3）與igbt一起使用的二極管基于emcon概念，為了與igbt所關(guān)注的損耗有良好的匹配，二極管也采用了垂直結(jié)構(gòu)。
（4）實(shí)現(xiàn)了兩種芯片組版本
快速芯片版本用于更高的開(kāi)關(guān)頻率，即用于永磁體馬達(dá)，而軟開(kāi)關(guān)版本針對(duì)雜散電感很高的情況下的大電流應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這兩種版本的芯片組在器件的垂直結(jié)構(gòu)上有所不同。圖7示出了垂直結(jié)構(gòu)和器件中相應(yīng)的電場(chǎng)分布。

圖7　垂直結(jié)構(gòu)和器件中相應(yīng)的電場(chǎng)分布

4.5 防宇宙射線的設(shè)計(jì)
由宇宙射線產(chǎn)生的高能中子對(duì)于反偏的功率器件十分有害，因?yàn)樗鼈兡茉诒镜禺a(chǎn)生很強(qiáng)的帶電等離子區(qū)，從而可能觸發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)由于大量電荷倍增所引起的破壞性放電。通過(guò)相應(yīng)地設(shè)計(jì)器件內(nèi)部的電場(chǎng)、加固發(fā)射極并仔細(xì)地設(shè)計(jì)邊緣引出端的結(jié)構(gòu)，可以遏制宇宙射線所引起的失效。圖8示出了導(dǎo)致功率二極管中發(fā)生中子誘發(fā)擊穿的基本機(jī)理。

圖8　導(dǎo)致功率二極管中發(fā)生中子誘發(fā)擊穿的基本機(jī)理

由于這一失效機(jī)制是由電荷倍增所引起的，因此故障率會(huì)隨所加的電壓成指數(shù)增長(zhǎng)，但會(huì)隨溫度的升高而降低。定量的數(shù)據(jù)由全面的器件模擬得到。以得到由宇宙射線引起的100fit（這個(gè)值小到可以忽略）的故障率為例，所需的直流電壓在額定電流1200a的第2代器件中，最大為1800v，而在額定電流1500a的第3代器件上升至最大2100v?？紤]到典型的直流電壓標(biāo)稱值1500v+30%，我們引入了較大的安全容限，以忽略在大多數(shù)應(yīng)用中的宇宙射線效應(yīng)。
4.6 150℃結(jié)溫設(shè)計(jì)
提高工作溫度的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是電場(chǎng)截止結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的npt結(jié)構(gòu)相比，電場(chǎng)截止會(huì)導(dǎo)致反向電流的大幅度降低，尤其在高溫條件下。這一技術(shù)不僅在阻斷操作時(shí)，而且在短路后和過(guò)電流截止時(shí)，都能阻止熱量的失控。
二極管emcon的概念對(duì)反向電流產(chǎn)生了積極的影響，由于不必在局部降低由輻射引起的載流子壽命，因此增大了反向電流。
另一個(gè)主要特性是igbt的溝槽柵單元，它在工作結(jié)溫升高到150℃時(shí)，仍然具備很好的過(guò)電流關(guān)斷可靠性。圖9示出了在5*i_nom、t_j=150℃和v_dc=2500v時(shí)的過(guò)電流關(guān)斷（v_ge：5v/div，v_ce：500v/div，i_c: 1200a/div）波形。

5 新型芯片的電流輸出能力可提高50%以上
在t_jmax=125℃和使用rth_hs=6k/kw、t_a=60℃的水冷散熱器的條件下，進(jìn)行熱比較計(jì)算，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，與目前的標(biāo)準(zhǔn)器件相比，快速版本的性能在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有很大的提高。軟開(kāi)關(guān)版本在1000hz以下的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)顯示出優(yōu)勢(shì)。即使在雜散電感很大的情況下，它的軟開(kāi)關(guān)特性依然使其成為大多數(shù)高功率范圍變頻器的首選器件。使用新型igbt3技術(shù)替代標(biāo)準(zhǔn)的npt器件，能夠讓變頻器的電流輸出能力提高20%。圖10是ihm b外殼中的igbt3（軟開(kāi)關(guān)版本fz1500r33hl3和快速版本fz1500r33he3）與ihm a外殼中的標(biāo)準(zhǔn)npt器件fz1200r33kf2c之間的電流輸出能力對(duì)比曲線。如果我們能夠利用ihm b的工作溫度上限為150℃的這一特性，新技術(shù)的潛力將更為明顯。與目前的標(biāo)準(zhǔn)器件相比，新型芯片的輸出電流提高了50%以上。

圖9　在5*i_nom、t_j=150℃和v_dc=2500v時(shí)的過(guò)電流關(guān)斷波形

圖10　ihm b外殼中的igbt3（軟開(kāi)關(guān)版本fz1500r33hl3和快速版本fz1500r33he3）與ihm a外殼中的標(biāo)準(zhǔn)npt器件fz1200r33kf2c之間的對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)
本文探討了在現(xiàn)有的ihm高功率模塊中采用最新的材料、焊接和安裝技術(shù)，所帶來(lái)的電氣和機(jī)械性能的提升。在保持機(jī)械兼容性的同時(shí)，最新推出的igbt3芯片技術(shù)極大地提高了器件的熱效率和電氣效率。通過(guò)相關(guān)計(jì)算和實(shí)測(cè)證明，新型器件的最低貯存溫度可以低至-50℃，最大結(jié)溫提高至150℃，電流輸出能力可提高50%以上。

作者簡(jiǎn)介
th. stolze 供職于英飛凌科技股份公司。

參考文獻(xiàn)
[1] j. biermann, t. schütze, o. schilling, m. pfaffenlehner, c. schafer, “new 3300v trench igbt moduleü for highest converter efficiency”proc. pcim, 2005, nünberg.
[2 ]a. cosaert, m. beulque, m. woz, o. schilling, h. sandmann, r. spanke, k. appelhoff,“thermal properties of power terminals in high power igbt modules”proc. pcim, 2005, nünberg.
[3] j. biermann, o. schilling, j.g. bauer, g. achatz,“new 3300v high power emcon-hdr diode with high dynamic robustness” proc. pcim, 2003, nünberg.
[4] m. bakran, m. helsper, h. eckel, a. nagel,“multicommutation of igbts in large inverters” proc. epe, 2005, dresden.
[5] g. soelkner, w. kaindl, h.-j. schulze, g. wachutka,“reliability of power electronic devices against cosmic radiation-induced failure” microelectronics reliability 44(2004) 1399-1406.