IGBT功率模塊是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷环Q為電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在電源、逆變器、中大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。
為了追求更高的可靠性和穩(wěn)定性，中恒微半導(dǎo)體針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS電源、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域，推出了DriveZ62封裝的IGBT功率模塊，通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能提升及嚴(yán)謹(jǐn)有效的品質(zhì)管控：
?選用新型工藝功率芯片降低模塊功耗；
?應(yīng)用高可靠性工藝封裝設(shè)計(jì)和材料；
?采用可追溯性管理進(jìn)行質(zhì)量控制。
產(chǎn)品概要
產(chǎn)品特點(diǎn)
1.1 低飽和壓降，低開(kāi)關(guān)損耗
?溝槽柵型場(chǎng)截止型IGBT芯片有助于實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗化。
1.2 通過(guò)提高IGBT工作上限溫度，提高產(chǎn)品的功率密度
?實(shí)現(xiàn)工作結(jié)溫范圍-40 ~ 150℃，結(jié)溫上限175℃。
?提升上限溫度，提高了產(chǎn)品的功率密度，提高了散熱設(shè)計(jì)的自由度。
1.3 標(biāo)準(zhǔn)封裝，確保兼容性
?標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸，可與市場(chǎng)上同類模塊兼容
主要規(guī)格
性能特性
IGBT功率模塊作為大功率的開(kāi)關(guān)型器件，其開(kāi)關(guān)特性與散熱能力是關(guān)注的重點(diǎn)。本文將以2B450M120S1P封裝模塊為例，簡(jiǎn)單介紹該封裝的電氣特性和功耗情況。
電氣特性
IGBT模塊的飽和壓降VCE sat和開(kāi)關(guān)損耗ESW是相互制約的因素，但又共同影響著功耗情況。因此，如何根據(jù)應(yīng)用情況權(quán)衡兩者間的關(guān)系，是設(shè)計(jì)需要著重關(guān)注的要點(diǎn)之一。下圖所示是中恒微半導(dǎo)體與市場(chǎng)上主流A公司相同封裝模塊的綜合性能對(duì)比圖，從開(kāi)關(guān)損耗和飽和壓降的平衡設(shè)計(jì)考慮，中恒微半導(dǎo)體的模塊都占有較大優(yōu)勢(shì)。
（圖2 綜合性能對(duì)比圖）
且該封裝模塊具備良好的開(kāi)關(guān)特性，如圖3所示，開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比市場(chǎng)主流產(chǎn)品，功耗降低了約10%。并且在1Ω的驅(qū)動(dòng)電阻下，峰值參數(shù)仍處于安全工作范圍，確保了產(chǎn)品的可靠性。有效控制開(kāi)關(guān)噪聲的同時(shí)提高了開(kāi)關(guān)速度，有助于降低終端用戶機(jī)體散熱結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路及控制程序的設(shè)計(jì)難度。
（a 開(kāi)通特性曲線）
（b 關(guān)斷特性曲線）
（圖3 2B450M120S1P開(kāi)關(guān)特性曲線圖@Tj=150℃,Rg=1Ω）
功耗情況
研究表明，IGBT器件的結(jié)溫每升高10℃，失效率就會(huì)增加一倍，并且絕大多數(shù)器件失效都是由于工作結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致的。因此，控制功率模塊的工作結(jié)溫是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的又一因素。示例模塊的計(jì)算結(jié)果表明，在母線電壓600V，導(dǎo)通電流225A，頻率10kHz的半載工況下，示例模塊的耗散功率遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上A公司的產(chǎn)品，如圖4所示。
（圖4 總損耗對(duì)比圖）
根據(jù)結(jié)溫計(jì)算公式，總損耗的降低可以有效降低芯片的結(jié)溫，芯片的溫度可以受到有效控制，保證了芯片的安全工作范圍，有利于簡(jiǎn)化應(yīng)用端的散熱設(shè)計(jì)。
可靠性實(shí)現(xiàn)
對(duì)于大功率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，模塊的可靠性是重點(diǎn)考量的要素之一，為提高這一指標(biāo)，中恒微半導(dǎo)體通過(guò)采用：
?高可靠性工藝體系
?高自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、工藝
進(jìn)行模塊制造，提高了產(chǎn)品的可靠性的同時(shí)也保證了產(chǎn)品性能的一致性。
（圖5 DriveZ62裝配結(jié)構(gòu)圖）
信號(hào)引線鍵合工藝設(shè)計(jì)
該封裝模塊是并聯(lián)半橋結(jié)構(gòu)，其性能高度依賴于工作條件下的均流實(shí)現(xiàn)，為此，中恒微半導(dǎo)體采用了對(duì)稱型的布局方式，高度對(duì)稱并聯(lián)部分的電路設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)均流特性。另外，為提高開(kāi)關(guān)過(guò)程的穩(wěn)定性，端子引線鍵合采用先連接至DBC銅層再連接到柵極的方式，避免了開(kāi)關(guān)電流不穩(wěn)定造成門極振蕩的情況，并有效降低了驅(qū)動(dòng)電感。
功率端子超聲焊接工藝
功率端子作為應(yīng)用中重要電氣接口，并且是最容易產(chǎn)生疲勞失效的部位，DriveZ62封裝摒棄傳統(tǒng)的釬焊焊接工藝，采用超聲焊接工藝完成電氣連接，避免了連接材料之間因CTE的差異產(chǎn)生疲勞失效的問(wèn)題，大幅度提高了器件的可靠性。
（圖6 端子結(jié)構(gòu)及焊接示意圖）
（圖7 經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)測(cè)試后端子結(jié)合位置破壞情況示意）
2.1 功率端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
?對(duì)稱型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使模塊安裝時(shí)的應(yīng)力均勻分布，其折彎處更加可靠。
?應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減小了安裝過(guò)程端子引腳所受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
2.2超聲焊接工藝
?更高的過(guò)流能力。根據(jù)計(jì)算，超聲焊接的電流耐受力是鋁線鍵合的3.5倍。
?降低熱機(jī)械應(yīng)力。優(yōu)化了模塊的抗沖擊、抗振動(dòng)特性。
焊片工藝
傳統(tǒng)的焊膏工藝受限于印刷鋼網(wǎng)和焊膏均勻度的限制，焊料層BLT難以控制，并存在清洗工藝的難點(diǎn)與不穩(wěn)定，保證空洞率的穩(wěn)定性更是成為焊接過(guò)程中需要考慮的重要因素。為避免這一現(xiàn)象，中恒微半導(dǎo)體采用了全焊片工藝，既簡(jiǎn)化了回流焊接的工藝流程，又保證了焊料層的可靠性和穩(wěn)定性。
3.1 使用焊片可以有效控制焊料層厚度，控制模塊熱阻
3.2 減少焊層空洞率
（圖8 采用焊片焊接的DBC下方焊接層空洞掃描圖）
總結(jié)
中恒微（ZHMSEMI）半導(dǎo)體推出的DriveZ62封裝IGBT功率模塊具備優(yōu)良的電氣性能、高可靠性及寬兼容性，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS電源、感應(yīng)加熱等應(yīng)用領(lǐng)域，可以替換市場(chǎng)上的同類模塊，為工業(yè)市場(chǎng)提供了高可靠性IGBT功率模塊的全新選擇。
