1 引言
文獻[1-4及其它]總結(jié)了在一些應(yīng)用領(lǐng)域模塊式igbt有較好的可靠性，但仍然存在問題。由于結(jié)構(gòu)原因，在對此類igbt加工時經(jīng)常出現(xiàn)線與基板連接點出錯使得igbt損壞。為了解決這一問題，提出了壓裝式封裝的igbt，它獨特的設(shè)計使得在壓裝的條件下，器件可以優(yōu)化工作。

另外在一些應(yīng)用領(lǐng)域，它還可以提高機械可靠性。封裝的不同使其電氣性能發(fā)生變化，同樣可以帶來一些優(yōu)點。

本文將介紹壓裝式封裝的設(shè)計，并介紹其對電氣機械特性的影響。

2 機械設(shè)計
壓裝式igbt的機械設(shè)計有兩個原則:
(1) 對每個組成芯片都要進行封裝測試;
(2) 消除所有的線接觸。

圖1 igbt chips (not to scale)

為了優(yōu)化器件的特性，在一個壓裝式封裝中設(shè)計了一種新型igbt。圖1a給出了傳統(tǒng)的線連接設(shè)計圖。門極在中間，它與八個發(fā)射極單元組通過線相連接。圖1b所示的是將門極放在角落的改進型設(shè)計，它可以最大限度的應(yīng)用剩余芯片進行平面壓裝。新的芯片設(shè)計將材料科學(xué)的發(fā)展應(yīng)用到壓裝式器件中，確保其有最好的熱循環(huán)能力。

圖2和圖3分別給出了單個igbt芯片各個組成部分的位置圖和剖面圖。該設(shè)計保證每步安裝都在基板上完成，并將已測試過的igbt和二極管集成到一個整體中。該整體直接連接到壓裝器件中，并進行最終安裝和測試。

圖2 exploded view of chip locator


圖3 compressed view of chip locator

壓裝式igbt的概念已在文獻[5-9]中做了介紹。這些設(shè)計雖然沒有芯片之間的直接連接, 但每個igbt的門極依然需要引線進行連接。本文介紹的壓裝式器件不需要引線，取而代之的是平面接觸系統(tǒng)(已申請專利)。圖4和圖5給出了無引線門極裝配的示意圖。芯片的門極與平面接觸板通過一個壓緊的彈簧針進行連接，平面接觸板與外部門極驅(qū)動信號相連。

圖4 gate pin contact path


圖5 planar gate track

為了評估電氣機械特性，結(jié)合后續(xù)文章介紹的新技術(shù)，可以改進成一種新型的器件。實驗的器件包括了五個igbt和兩個反并二極管。整個一個集成體安裝在一個直徑為47mm的標(biāo)準(zhǔn)凸起圓封裝中，其封裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。該器件的電流定額為400a。

圖6 outline drawing of 47mm φ package

將同樣的概念運用到更大的封裝中，可以得到更大定額的器件。電流定額為1400a的器件可以用直徑為75mm的標(biāo)準(zhǔn)凸起圓封裝實現(xiàn)。

3 電氣機械特性
標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷壓裝技術(shù)與現(xiàn)有的機械設(shè)計系統(tǒng)有兼容性，它可以在不增加重新設(shè)計冷卻系統(tǒng)所需成本的條件下，引入igbt技術(shù)。陶瓷技術(shù)可以確保其與相似的封裝一樣保持真空密閉，并在惡劣的條件下正常工作。

文獻[9]介紹了與模塊器件相比，壓裝式igbt擁有很好的熱電阻特性。本文介紹的等效器件與文獻[10-11]中提出的新技術(shù)相比，也具有相似的優(yōu)良的熱循環(huán)特性。這種壓裝式器件的樣品可以在結(jié)溫δt大于85℃的條件下工作105次循環(huán)。下一步的工作是怎樣在低的δt的條件下，使帶有反并二極管的器件得到相同的優(yōu)良特性。雖然不可能在所有場合中應(yīng)用，但該器件優(yōu)良的熱循環(huán)特性可以在某些場合得到充分的應(yīng)用。圖7給出了壓裝式器件與模塊器件熱循環(huán)特性對比曲線，其中壓裝式器件在δtj為85℃時的值為實驗數(shù)據(jù)，在85℃以下的值為理論預(yù)測值。

圖7 thermal cycling

由于壓裝式器件沒有引線連接，因此提高了可靠性。不僅如此，與模塊器件相比，其在電氣和熱特性上還有很多有趣的區(qū)別。

圖8 chip bbbbbbbbs on module base plate


圖9 wire bonds and bus bars


圖10 module equvalent circuit


圖11 simplified pressure contact structure


圖12 pressure contact equivalent circuit

圖8和圖9給出了簡化的傳統(tǒng)模塊igbt的結(jié)構(gòu)圖。由于各芯片之間是用總線網(wǎng)絡(luò)和引線進行連接的，因此各個芯片之間就有復(fù)雜的串聯(lián)電感。其等效電路如圖10所示，其中l(wèi)r為熱電感，le為發(fā)射極總線電感，lw發(fā)射極引線電感l(wèi)c為總線電感。對每個芯片來說，le與lw的值不同。而圖11給出了壓裝式器件的簡化結(jié)構(gòu)圖，圖12為等效電路圖，其中l(wèi)e為發(fā)射極電感，lc為總線電感。從等效電路中可以看出，在開關(guān)速度很快的條件下，模塊器件每個芯片的電壓可能不同，而壓裝式器件每個芯片的電壓卻是相同的。

通過一些簡單的計算，我們可以將兩種不同結(jié)構(gòu)器件進行電壓定額分級。注意我們在此對兩種結(jié)構(gòu)器件的比較只是定性的分析，再實際中，由于模塊器件生產(chǎn)商的不同，器件也會有一定的區(qū)別。

本文介紹的五芯片igbt極與極之間的電感小于8nh，如果假設(shè)每個芯片電感相等，那么其值均為40nh。相同定額六芯片模塊器件終端電感為20nh，如果假設(shè)所有通路相等，那么每個芯片的電感為120nh。如果在0.1μs時間內(nèi)有400a的電流變化，這就要求有4000a/μs的電流變化率(di/dt)。對壓裝式器件每個芯片的di/dt為800a/μs，而模塊器件為667a/μs。很容易計算模塊器件的電壓過沖為80v，而壓裝式器件的僅為32v。

在實際情況下分布式電感不可能相等，假設(shè)六個芯片的電感高中低之間相差30%，其電感值分別為89.5nh、128nh和166.5nh，那么在相同條件下它們的電壓過沖值分別為60v、85v和111v。這說明任何一點分布式電感的不同都會使得每個芯片過沖值大大不同，在有更多個芯片的大電流定額模塊中這種電感的不同還會更加明顯。而壓裝式器件每個芯片之間的通路是相同的，因此過沖也相同。

這種差別的大小最終還是取決于應(yīng)用場合，其次才是模塊設(shè)計。因此，過沖電壓的降低可以反過來優(yōu)化電壓定額，在設(shè)計時可以運用小的安全裕量。

壓裝式器件小的電感可以使得系統(tǒng)設(shè)計者更好地控制整個電路的電感，但不得不承認它有可能超過一些模塊器件?？墒钦缟厦嫠榻B的整個系統(tǒng)的電感并不要從各個芯片中分離出來。

同樣的概念可以應(yīng)用到有反并二極管的器件中，它只是在二極管和芯片之間增加了很小的電感。由于沒有引線，使得二極管在芯片反向?qū)ǖ臅r候更有效的箝位。

另一方面，壓裝式器件的電感還需要進一步的討論。與需要引線連接的模塊式封裝和交互式塑封封裝相比，平面無引線門極封裝技術(shù)的電感更小。將外部終端和內(nèi)部各芯片之間非常小的的電感結(jié)合起來，就可以在很小的瞬時電壓變化時優(yōu)化igbt芯片的開通。芯片之間門極電感的降低，可以減小各個芯片門極電路的串聯(lián)阻尼電阻，這樣就使其在高頻工作時有很好的特性。

壓裝式器件各個芯片的電感相同, 同理, 它們的極間電阻也相同。圖13為等效電路，其中rthe為發(fā)射極電阻，rthc為集電極電阻。由于相互間有多個銅極片，這就使得芯片之間的熱量平均分布，保證每個芯片在工作時溫度相同。

圖13 pressure contact thermal resistance

傳統(tǒng)的模塊封裝的外部電阻很復(fù)雜。圖14給出了它的簡化電路圖，其中rtha為焊接電阻，rthb為底層電阻，rthc為底層與基板之間電阻。為了簡化，該等效電路忽略了引線與發(fā)射極之間由于散熱所帶來的影響，這樣就不易比較集電極之間的冷卻。由于每個芯片都是在安裝到基板之間就封裝好的，因此芯片與底版之間的電阻就會不同，如圖8和圖9所示。這種不同并不能通過增大基板來得到補償。文獻[1]介紹的基板并不能保證模塊在使用期內(nèi)散熱槽外部電阻保持不變。由于熱量要從基板通過散熱槽(如等效電路中的rthc)，因此基板電阻一點細微的變化也會導(dǎo)致各芯片之間的電阻發(fā)生變化。這就要求在器件使用期內(nèi)減少模塊數(shù)量，來保證散熱和熱循環(huán)性能。

圖14 module thermal resistance

如果將兩種結(jié)構(gòu)的器件進行比較，我們發(fā)現(xiàn)兩者外部電阻的不同影響了器件的特性，而這些已經(jīng)在一些場合得到應(yīng)用。壓裝式器件各器件的工作溫度必須相同以確保各芯片可以均流，并很好的和導(dǎo)通壓降相吻合。電流的均分可使得器件工作在最大設(shè)計電流，而不需要很大的裕量來補償由于溫度的不同導(dǎo)致的電流不均。對于模塊器件，即使很好地與導(dǎo)通壓降相吻合，各芯片之間的電流也會由于溫度的不同而不同。溫度的不同可能是由于器件工作中，封裝芯片之間的電阻rtha+rthb，或基板于散熱槽之間電阻變化造成的。因此在設(shè)計時就要考慮到個芯片的電流定額。

本文介紹的兩種實驗樣品的電流定額相似，均為400a。如果是更高定額的器件，那么就要考慮各芯片之間的溫差。對模塊器件而言，電流定額越大，并聯(lián)的芯片就越多，底板的面積也就越大。底板面積越大，就要求散熱槽面積越大，這導(dǎo)致其表面溫度不均，并直接影響各個芯片。對于壓裝式器件，隨著電流定額的增加，芯片數(shù)量也增加。而更大的銅極片可以確保散熱槽均溫，因此各芯片的溫度也一樣。

與相同定額的模塊器件相比，壓裝式器件可以確保芯片之間溫度一致，這樣就可以優(yōu)化外部電阻。

壓裝式器件的薄銅極片的缺點是結(jié)點與散熱槽之間的電阻值。為了更好地優(yōu)化器件，就要對其兩面冷卻。這樣壓裝式器件與等定額模塊器件相比，就有更小的外部電感。但是如果只是單面冷卻，那么模塊器件就有比較低的結(jié)溫，而壓裝式器件的結(jié)溫比較高。但是這一問題并不是大多數(shù)應(yīng)用場合都會有的?，F(xiàn)在優(yōu)化的兩面冷卻器件的外部電阻的測量值為50k/kw。

壓裝式器件與模塊器件另外一個很大不同的特性是災(zāi)難性損壞，而這是有賴于其機械設(shè)計。模塊器件中的芯片在短路時最先損壞，而作為電流通路的發(fā)射極引線將會斷路。在惡劣的情況下，由于封裝中的填充混合物，器件將會開裂[12]。相反的，壓裝式器件在短路時會損壞，但其陶瓷封裝不易開裂。該器件的這一特性使其可以在在大量串聯(lián)器件的場合中得到應(yīng)用，例如中電壓器件或功率條件場合。由于其有冗余系統(tǒng)，就可以使主電路正常工作，現(xiàn)在一般都用傳統(tǒng)晶閘管或gto。

4 壓裝式器件的應(yīng)用
模塊器件的一個特點是其與散熱槽電氣隔離，而壓裝式器件卻不具備。因此壓裝式器件對一些低成本系統(tǒng)并不具有吸引力。但是在一些系統(tǒng)中這種犧牲是值得的。因為，其它特性可以提高整個系統(tǒng)的性能。

與傳統(tǒng)的晶閘管相比，壓裝式igbt復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要求選取箝位系統(tǒng)特別小心。但是在等價的實驗裝置中，當(dāng)箝位系統(tǒng)在極片之間自由移動時并沒有發(fā)生很大的問題。單面冷卻和雙面冷卻兩種箝位系統(tǒng)在實驗器件中得到應(yīng)用。

采取標(biāo)準(zhǔn)的封裝，壓裝式設(shè)計可以運用標(biāo)準(zhǔn)的水冷卻系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)大小方面，本文介紹的壓裝式器件與模塊器件相比可以做的更小。如果幾個器件串聯(lián)工作并有很好的水冷卻系統(tǒng)設(shè)計，那么壓裝式器件可以有很緊湊的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語
本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)封裝壓裝式igbt的設(shè)計。理論分析和實驗驗證說明壓裝式器件與相同定額模塊器件相比，具有不同的電氣機械特性。正是這些不同的特性，使得其在一些領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。
壓裝式封裝使得芯片的設(shè)計得到優(yōu)化，保證電壓電流和熱的平均分布，從而降低了芯片的設(shè)計裕量。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)使得其可以運用現(xiàn)有的冷卻技術(shù)，并替代晶閘管技術(shù)。壓裝式器件的可靠性和實用性可以保證其組合成由多個器件串聯(lián)工作的緊湊系統(tǒng)。
很明顯，在一些應(yīng)用場合，模塊igbt的優(yōu)點勿庸質(zhì)疑，但特性上的不同使得壓裝式器件也具有很大的吸引力。

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