1 引言
由于igbt模塊存在的尤其是在惡劣環(huán)境下的可靠性問題，一種無焊壓裝式igbt應運而生。
機械結(jié)構(gòu)方面，無焊壓裝式igbt完全取消了焊接和焊接面，包括柵極引出在內(nèi)的所有的接觸均采用壓力裝配(圖1)。柵極的引出，使用預成形的低感值平面結(jié)構(gòu)件。有源的igbt和二極管芯片裝在一個密封的盒子中(圖2)，在最后密封前，這些芯片可進行預測試。芯片本身已經(jīng)過多層金屬化處理，具有很高的電氣和機械的可靠性。器件額定電流為400a，額定電壓為1800v，具有工業(yè)標準外形，密封的陶瓷封裝。器件還包含了等額的反并聯(lián)二極管。

fig. 1. chip carrier assembly. electrical characteristics


fig. 2. internal view of housing. example of this analysis
are contained within the thermal characteristics section

2 電性能
使用大量的數(shù)據(jù)來建模，從而優(yōu)化密封器件中的igbt和二極管。安裝時，選擇不同的器件結(jié)構(gòu)。這樣，在相同的測試條件下，可測量不同參數(shù)的一系列樣品。這些樣品分析包括熱特性部分。

fig. 3. basic test circuit


fig. 4. typical igbt waveforms

圖3為基本測試電路, igbt及其反并聯(lián)二極管都進行測試。為測試igbt, 測試器件放在位置t2, 同時一個同樣的器件放在位置t1。igbt的典型開關(guān)波形見圖4(ic=100a/div, vce=200v/div, t=5μs/div)。開通t2可達到所需的測試電流, l中也流過同樣的電流。t2關(guān)斷時，電流經(jīng)t1的二極管續(xù)流, t2再次導通時結(jié)束。在igbt測試過程中, t1的反并聯(lián)二極管上的電壓和流過的電流可反映其性能。

從樣品不同測試過程中獲得數(shù)據(jù)來精確建模，并優(yōu)化器件的性能，這個過程將在本文的下一節(jié)中，用典型的曲線進行說明。

fig. 5. on-state voltage vs collector current


fig.6. turn-off energy vs collector current


fig.7. turn-off energy vs on-state voltage

圖5-7描述了壽命控制對導通壓降和關(guān)斷損耗的影響，當這兩個因素變化時，可得到特性大范圍變化的器件。在這兩個參數(shù)中選擇一個特殊的平衡點時，有可能得到應用在特殊場合的性能良好的器件。從圖7給出的數(shù)據(jù)可清楚看出，導通壓降增大到一定程度時，關(guān)斷損耗變化趨于平緩，對大多數(shù)應用場合，可接受一個折衷方案。

fig.8. diode characteristics

同樣可分析出具有不同p型摻雜濃度二極管的特性，見圖8。圖8給出了導通壓降和反向恢復特性(irm、qra)的關(guān)系。在大多數(shù)應用場合，二極管按反向恢復特性不再有明顯提高時所對應的導通壓降設(shè)計，這是可接受的方案。

在分析igbt和二極管的兩個例子中，只選用了一個制造參數(shù)，很自然的，這并不代表在制造過程變化或大范圍內(nèi)參數(shù)互相影響時，特性仍有很好的適應性。在密封器件的igbt芯片設(shè)計時，目標參數(shù)一般參考相近定額的模塊器件。但這不排除將某些特性設(shè)計得最優(yōu)，以適應使用這些專用器件的場合。

從熱特性角度考慮，密封器件有很大優(yōu)勢，為適應這個需要求，器件的革新是必然的。本文接下來的部分將詳細介紹。作者確信，在串聯(lián)了二極管的電流型系統(tǒng)，它要求的二極管特性和電壓型系統(tǒng)中所用的模塊中的二極管不同。制造出無窮盡變化的產(chǎn)品是不可能的，密封設(shè)計可提供了多種應用所要求的特性。

因其機械設(shè)計的特點，無焊壓裝器件的內(nèi)部電感比相同等級的基板組裝器件小，并且電感均分在各個獨立的igbt芯片中。這些特性利于igbt電壓特性的優(yōu)化，在開關(guān)動作時，電感電壓補償動態(tài)電壓變化，它比正向阻斷電壓低。內(nèi)部電感的降低提高了設(shè)計機械接頭的靈活性。

工業(yè)標準封裝可以充分發(fā)揮igbt的優(yōu)勢，不需要大幅度變動已有的的機械設(shè)計，就像晶閘管、gto等壓裝器件一樣。在這樣的情況下，igbt參數(shù)就和現(xiàn)有的模塊器件大大不同。

壓裝igbt可用在高壓情況下，器件必須串聯(lián)工作。電路總電感有望明顯減小，短路失效模式具有毫無疑問的優(yōu)點。這樣的應用場合下，常常要求器件工作在較低的頻率，如何優(yōu)化其性能必須引起重視。

3 熱性能
不同于模塊igbt，密封igbt的熱性能更具吸引力。為了充分發(fā)揮其性能，用于封裝的材料需精心選擇。

每次建模時，需注意器件和環(huán)境的熱交互作用，在整個設(shè)計過程中，這將使密封的好處得到最大保證。分別建立了模塊igbt、密封igbt的電熱模型。圖9給出了對密封igbt的分析，rthe表示發(fā)射極的熱阻，rthc表示集電極的熱阻。

fig.9. simplyfied capsule mechanics and equivalent thermal circuit

圖10給出了對模塊igbt的分析，簡化了電路，rtha表示焊接的熱阻 ，rthb和 rthc分別表示基板以及基板和底板之間的熱阻。和集電極側(cè)的散熱比較，發(fā)射極通過鍵合線的散熱很少，可略去。每個芯片和底板之間有幾層材料，芯片和底板之間的熱阻分布不同。這些差別只能通過底板相對小的散熱面積進行部分補償。模塊工作時，底板本身和散熱器之間的熱阻也不能保證均衡[1]。這可能引起芯片之間的熱交換，降低器件的有效散熱和熱循環(huán)。這些因素使得模塊必須降額使用。

fig.10. simplyfied module mechanics and equivalent thermal circuit

壓裝igbt不受此限制，銅電極較大的散熱面積利于動態(tài)熱性能的改善。圖11是400a/1800v密封igbt在雙面散熱條件下的典型動態(tài)熱阻曲線，器件散熱優(yōu)的性能已得到充分顯示。從圖12可見熱阻與所施加的壓力有關(guān)。如果單面散熱，理論上，密封igbt和模塊igbt有相近的熱性能。實際上，密封igbt可工作于較高的結(jié)溫。研制的雙面散熱器件的典型熱阻為50k/kw，最高結(jié)溫150℃,并且不受密封部分的熱特性限制。

fig.11. igbt transient thermal resistance


fig.12. igbt rq vs clamping force

本文主要關(guān)注igbt芯片的發(fā)展，同時我們也涉及采用相同設(shè)計過程的二極管。毫不奇怪，二極管表現(xiàn)出和igbt相似的動態(tài)熱阻(圖13)。圖14中，可看出熱阻隨所加壓力改變引起的變化。

fig.13. diode transient thermal resistance


fig.14. diode rq vs clamping force

從等效電路模型中提取出參數(shù)，作為邊界條件，應用于swansea大學研制的二維器件仿真器。在負載變化條件下，對模塊igbt和密封igbt作進一步研究。包括不同器件結(jié)構(gòu)對igbt和二極管的影響，建立在標準的dmos型器件上。圖15給出了用于igbt分析的等效電路，所用數(shù)據(jù)見表1。

fig. 15. equivalent electrical circuit

table 1. circuit bbbbbeters


密封igbt具有優(yōu)越的短路特性。1800v的器件要求在900v線電壓下，能承受短路電流的時間為10ms。1000v線電壓下，施加50ms的脈沖是用來驗證高壓條件下器件是否失效。表2在不同的散熱條件下, 器件失效時間的標幺值。

fig.16. contour plots fig.17.isometric plot


fig.18. current &temperature of capsule igbt

圖16-17給出了單面散熱的密封igbt失效時的熱分布。失效點在器件的jfet部分。最高溫度為576℃，是硅摻雜半導體的內(nèi)在溫度。在這個溫度，器件出現(xiàn)熱失控，導致失效(見圖18)。
圖16給出了igbt熱失控時的熱分布等高線。在300k和500k之間是線性的。圖中集電極引出端的溫度設(shè)為散熱器的溫度(300k), 對應的圖17中, 很清楚表示出峰值溫度在器件的jfet部分的中心。這和先前公布的結(jié)果相當吻合[11]。

為了進一步分析器件的熱性能，研究了器件一系列結(jié)構(gòu)變化的影響。為簡潔起見，只考慮其中的jfet寬度變化的影響。在上述仿真條件下，是用其他各方面都相同的dmos器件，jfet寬度變化，器件的失效時間也就變化了。結(jié)果表明，jfet寬度增加, 不利于器件的短路性能(見圖19)。

fig.19. influence of jfet width on short circuit withstand

igbt和二極管兩者的不同結(jié)構(gòu)給器件性能提供了不同的方案。例如，二極管的軸向壽命對靜態(tài)和動態(tài)的性能都有影響。減小igbt的mos溝道長度可增加正向?qū)娏鳎陔S后的研究中，我們發(fā)現(xiàn)這是以犧牲器件短路承受能力為代價的。結(jié)果，對一系列工作參數(shù)，器件設(shè)計的各方面都要進行分析，最好是在實際條件下，電、熱性能兼顧，從而實現(xiàn)性能最優(yōu)。

4 結(jié)束語
介紹了高可靠性的無焊壓裝igbt。
在igbt和二極管研制過程中，建立大量的模型來優(yōu)化電、熱性能。對大量不同器件的測試，正不斷驗證了模型的正確性。

當器件電性能優(yōu)化到接近相同等級的模塊器件時，從電熱特性的模型可看出:在某些應用場合，無焊壓裝器件優(yōu)于模塊器件。另外，適當調(diào)整igbt和二極管芯片的電特性，可得到器件最優(yōu)的性能。

要求工業(yè)標準壓裝外形，這為igbt技術(shù)使用現(xiàn)有的設(shè)備提供了條件。設(shè)計時，只需對電、機械作很少的改動，特別適用于需多個器件串聯(lián)的應用場合。

參考文獻
(略)