1 引言
相對于采用其他技術(shù)的器件，要求高可靠性的產(chǎn)品采用壓裝式igbt是很好的選擇。

電極直徑為47mm的400a/1800v igbt是按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓裝的，對其進(jìn)行測試，結(jié)果表明具有優(yōu)良的電熱性能。特別在熱循環(huán)測試中，表現(xiàn)出相同或優(yōu)于傳統(tǒng)壓裝器件的性能。圖1的曲線給出了電極截面直徑為47mm器件的熱循環(huán)測試結(jié)果。圖中，四個測試數(shù)據(jù)點(diǎn)表示對樣品完成的測試情況，δtj為45℃和85℃時，器件失效前就終止了，δtj為135℃，則是在115×103次循環(huán)后，有一個器件失效時終止的。

圖1 thermal cycling results

圖1中，虛線是典型的采用基板安裝器件的熱循環(huán)曲線，實(shí)線是預(yù)計的壓裝器件熱循環(huán)壽命曲線。依據(jù)coffin-manson公式建立模型，可導(dǎo)出器件預(yù)計壽命。


從模型中的數(shù)據(jù)可得出結(jié)論:壓裝器件熱循環(huán)能力比一些基板安裝器件高一個數(shù)量級。

采用傳統(tǒng)全封閉封裝的壓裝器件可以和所有形式采用傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的設(shè)備融為一體。器件可安裝在風(fēng)冷和水冷系統(tǒng)中，見圖2、圖3，或完全浸沒在油冷系統(tǒng)。

圖2 water-cooled h-bridge for current fed inverter
applications using 400a/1800v press-pack igbt


圖3 water-cooled phase-leg assembly using 1400a/1800v press-pack igbt

采用傳統(tǒng)的壓裝器件的外形，使得器件可應(yīng)用于已有的冷卻和安裝系統(tǒng)，減少了再設(shè)計的成本和時間。

文獻(xiàn)[7]提出了巨型器件的概念，認(rèn)為壓裝設(shè)計可使igbt適用于所有的應(yīng)用場合和功率等級。除了已驗證的電極直徑為47mm的器件，直徑為75mm的器件也推出了，接下去就是100mm，現(xiàn)已在研。圖4給出了75mm器件的外形圖樣。對于不同的巨型器件，除了總直徑不同外，其余都是一樣的。

圖4 outline drawing for a 75mm press-pack igbt,rated at 1400a/1800v

2 機(jī)械設(shè)計
采用傳統(tǒng)的陶瓷封裝，電極直徑為75mm的新型大面積壓裝igbt已經(jīng)推出。文獻(xiàn)[1]~[6]介紹了具有相似機(jī)械結(jié)構(gòu)，電極直徑為47mm的新型igbt，圖5和圖6給出一只igbt的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是封裝好的單管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是器件次序分解圖。圖7的裝置可裝配24只直徑為75mm的芯片。一只igbt開關(guān)管包含18只igbt芯片和6只二極管芯片。

圖5 single chip assembly


圖6 exploded view of vertical assembly for a single chip


圖7 multiple cell assembly , for the 75mm diameter device ,
with the molybdenum contacts and chips removed


圖8 bbbbbbbb of planar gate distribution board in base of 75mm housing

采用放在裝置底部的平面環(huán)形分布板將柵極引出, 彈性的銷栓實(shí)現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)和芯片的連接。每只置于格子中igbt芯片的角上插放銷栓。圖7的裝置中的右上角的3只芯片角上可看到伸出的銷栓, 圖中略去了其余的15根銷栓。

除了上述的75mm的器件，100mm的器件已在研。這種巨型器件包含37只芯片，有兩種形式。一種是全igbt芯片，電流等級接近3000a，另一種是28只igbt芯片和9只二極管芯片，電流等級為2200a。和47mm、75mm的igbt一樣，100mm的igbt采用了相同的電壓等級:1800v。

對100mm的igbt來說，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)稍有不同，不再是一個盒子放上所有的芯片，而是每只芯片都有各自的小盒子，見圖9。每只芯片有各自的小盒子，這就減少芯片交界面，簡化封裝前的預(yù)測試。

圖9 components of an individual chip assembly for the 100mm pole face diameter device


圖10 housing of 100mm device showing the emitter side boss pillars

圖10給出了一只開封的igbt的示意圖，每只芯片的盒子都放置在發(fā)射極邊套上。柵極的引出方法和75mm igbt一樣。
用于巨型器件的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，比起所有芯片聯(lián)結(jié)在一起的方法有很多優(yōu)勢。單芯片部件可用于不同的器件封裝尺寸，對不同的封裝外形要求，不需要再設(shè)計，加快設(shè)計周期。特別地，單芯片部件適應(yīng)于文獻(xiàn)[7]所提出的大面積封裝的未來發(fā)展需求。不同的產(chǎn)品對反并二極管的要求也不同，如果采用所有芯片聯(lián)結(jié)在一起的方法，這必須在內(nèi)部設(shè)計好，對某個具體的產(chǎn)品，二極管和igbt芯片的比例不能變動。而采用單芯片部件，二極管和igbt芯片的比例不同時，只有發(fā)射極邊套和平面環(huán)形分布的柵極引出板需要單獨(dú)設(shè)計。

這并不意味著必須重視大量的有著不同二極管和芯片比的器件，但的確有這樣特殊需求時，就可以減小設(shè)計周期和成本。

最初的47mm igbt使用單個鉬盤引出所有芯片的集電極，而發(fā)射極則用各自的鉬盤引出。圖1中的熱循環(huán)測試數(shù)據(jù)正是采用這種器件獲取的。不久，在寫這篇論文時，對75mm igbt熱循環(huán)能力進(jìn)行測試，性能優(yōu)于47mm igbt。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)優(yōu)于其他技術(shù)的性能指標(biāo)，分析其原因有:

(1) 75mm igbt的集電極、發(fā)射極都采用各自的鉬盤引出;

(2) 芯片和鉬盤的橫向運(yùn)動是一致的，減小了像gto等器件內(nèi)部發(fā)生的那種磨蝕效應(yīng)。它們由單個大面積合金材料組成，易產(chǎn)生邊緣磨蝕，這是因為不同的偏移量和硅片的大小成比例而不和封裝大小成比例。不管怎樣，由于熱循環(huán)，溫度變化引起熱脹冷縮。考慮到發(fā)射極套鎖定了發(fā)射極邊柱，使得芯片載體整體移動。在100mm igbt設(shè)計中，每個芯片都有單獨(dú)的部件單元，它們也和膨脹的發(fā)射極套一起移動。結(jié)果所有的單元只相對于各自的芯片中心熱脹冷縮，所以，熱循環(huán)時，只產(chǎn)生獨(dú)立的最小的磨蝕效應(yīng)。因此，采用單芯片部件的器件在熱循環(huán)時，可獲得良好的性能。

3 電性能
這篇論文選用了采用47mm技術(shù)已檢驗過的器件，它們由相同的1800v/80a igbt芯片組成。為了壓裝，這些芯片進(jìn)行了特殊的設(shè)計，有特殊的金屬層和柵極結(jié)構(gòu)，igbt芯片同時集成了串聯(lián)柵極電阻，以減輕在封裝設(shè)計中單獨(dú)放置這些電阻的要求。

集成的柵極電阻有很多優(yōu)勢，當(dāng)產(chǎn)品有特殊要求時，可更好地完成器件的設(shè)計。單個的電阻的阻值相對較小，通常為1ω。在軟開關(guān)條件下，可助于提高工作頻率，這常見于很多感應(yīng)加熱設(shè)備。這個特點(diǎn)要求精心選擇柵極觸發(fā)電路的外部串聯(lián)電阻，防止在硬開關(guān)條件下，關(guān)斷igbt引起過大的dv/dt。

在一些基板安裝設(shè)計中，柵極電阻的溫度系數(shù)比硅電阻低得多，見圖11。當(dāng)電阻直接安裝在芯片上時，它自然地反映出的結(jié)溫變化，上述特性就顯得很重要。由圖11可見，柵極電阻和芯片串聯(lián)時，測量的結(jié)果(a1-a4)，和典型基板封裝器件樣品測量的結(jié)果(b1-b2或c1-c2)比較，其電阻和溫度系數(shù)要低得多。

圖11 series gate resistance vs temperature for press-pack chips

采用壓裝封裝的1800v igbt, 最高工作頻率20khz，集電極發(fā)射極飽和壓降比同規(guī)格的基板封裝器件大，但開關(guān)速度提高，減小了開關(guān)損耗，在一定程度上補(bǔ)償了導(dǎo)通損耗增加的不利影響。圖12為75mm封裝的1400 a igbt開關(guān)工作波形，無開通、關(guān)斷緩沖電路。要提高工作頻率，必須配置諧振電路或緩沖電路。

圖12 typical switching wave-shapes for 1400a ,
1800v press-pack igbt

從47mm和75mm igbt的測試特性可預(yù)測100mm igbt的性能。圖13給出了75mm、100mm igbt預(yù)測的工作頻率和電流之間的關(guān)系，工作電壓900v, 實(shí)線表示硬開關(guān)條件下, 而虛線則表示軟開關(guān)條件下。圖中所示只是預(yù)測的可能達(dá)到的工作頻率，因為器件的性能受到多方面因素影響。例如工作在額定電壓的30~40%(600v), 它的工作頻率可適當(dāng)提高。柵極驅(qū)動電路和吸收電路也會產(chǎn)生影響。

圖13 operating frequency vs hard & soft switching current

圖13的曲線是針對集成了全部所需的二極管的igbt而言的。對采用外并二極管或器件不需二極管時，可全部采用igbt芯片，電流等級提高。應(yīng)用于軟開關(guān)電路中的100mm igbt的頻率可提高，見圖14。

圖14 operating frequency vs soft switching current for a
100mm device with and without an integral anti-parallel diode

4 應(yīng)用
壓裝igbt尤其適用于可靠性要求高的場合或惡劣的熱環(huán)境。這并不是全部，它的許多優(yōu)點(diǎn)由于其他技術(shù)的獨(dú)特性能尚待開發(fā)應(yīng)用。

壓裝igbt可用水冷系統(tǒng)。舉個例子，圖15所示的是電壓型h-橋式逆變器。對應(yīng)于一個橋臂的器件，把另一個橋臂的器件翻轉(zhuǎn)過來，就得到圖16所示的緊湊結(jié)構(gòu)。直流母線輸出端耦合緊密，可靠近并上濾波電容。圖中結(jié)構(gòu)不包括冷卻隔離裝置。但這容易實(shí)現(xiàn)，在器件和冷卻裝置之間加上隔離罩，少許的成本換取最大的功率耗散。

圖15 basic schematic for a voltage fed h-bridge inverter


圖16 voltage fed h-bridge inverter assembly


圖17 basic schematic for a current fed , h-bridge inverter


圖18 water-cooled , current fed h-bridge
inverter assembly , with gate trigger circuits

圖17給出的電流型逆變器也可以用相同的結(jié)構(gòu)，見圖18。串聯(lián)二極管和igbt的組裝方法相同。柵極驅(qū)動電路安裝在兩邊，減小柵極引線長度，這有利于高頻工作。

上述兩種組裝方法為應(yīng)用提供了緊湊的結(jié)構(gòu)，適用于感應(yīng)加熱爐、焊機(jī)電源，在這些設(shè)備中器件具有很高的熱應(yīng)力。組裝本身具有的緊湊性和緊密耦合的直流母線和交流母線路徑，使得壓裝器件的工作頻率達(dá)到20khz。
壓裝器件的外部電感可能比基板組裝器件高，但其內(nèi)部電感卻低得多。

壓裝器件的一個特性為它是短路失效模式[6]。由于它的機(jī)械機(jī)構(gòu)，壓裝igbt只會在短路時失效[6]，施加多電流脈沖仍保持穩(wěn)定，這種方式和傳統(tǒng)的晶閘管相同。壓裝igbt中采用n+1冗余技術(shù)，某一個芯片失效時，器件可繼續(xù)工作。很自然，壓裝igbt可適宜于串聯(lián)工作。無論是水冷還是風(fēng)冷，它的機(jī)械設(shè)計較采用其他技術(shù)來得容易。

一般來講，串聯(lián)工作中的壓裝igbt總尺寸比相同等級模塊的尺寸要小。壓裝igbt模塊中，串聯(lián)方式中有冗余并聯(lián)方式。也可能有這種情況，采用低壓大電流的壓裝器件串聯(lián)，增大線電壓，實(shí)現(xiàn)所需功率的要求。這比采用單個高電壓器件并聯(lián)要好。

為了保證所有的器件同時開通，系統(tǒng)變得復(fù)雜，因而設(shè)計工程師一般不采用器件串聯(lián)的方法。igbt串聯(lián)工作，驅(qū)動電路的隔離比傳統(tǒng)的晶閘管簡單，igbt驅(qū)動電路只需相對低的功率?？刂茤艠O驅(qū)動電路的脈沖來保證串聯(lián)工作的igbt同時開通，不必和器件的特性完全匹配。

5 結(jié)束語
本文介紹了新型的采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的大電流壓裝igbt, 給出了器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在惡劣的熱應(yīng)力條件下，具有高可靠性。

大電流壓裝igbt工作頻率可達(dá)到20khz。h型橋和串聯(lián)裝配的實(shí)現(xiàn)證實(shí)了它的一些潛在的應(yīng)用場合。

參考文獻(xiàn)
(略)