1 引言
在一些應(yīng)用中為了減少引線和基板之間的熱應(yīng)力，提高可靠性，基板安裝的igbts被降額使用。為了克服在第三部分研究中提出的基板安裝器件的可靠性問(wèn)題[7-10] 許多功率半導(dǎo)體制造廠[1-6]提出了壓裝igbts。但大多數(shù)設(shè)計(jì)中柵極引出仍采用引線鍵合方法。
圖1 400a器件的外形圖
圖2 1400a器件的外形圖
為了高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合, 滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外形[圖1, 圖2]的一類新型無(wú)焊壓裝igbts被研制出來(lái)。這些器件提供的額定電流在額定電壓為1800v時(shí)為400a和1400a[11-12]。在此封裝中集成了一個(gè)反并聯(lián)二極管。
額定電流為400a器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)先前已經(jīng)有詳細(xì)的描述[6]，但為讀者清楚起見(jiàn)，正文的隨后部分將扼要地略述這部分內(nèi)容。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)
壓裝器件的基本概念在圖3到圖5中進(jìn)行了圖解。這些器件沒(méi)有用引線鍵合和焊接接頭(即完全壓力結(jié)合)。單獨(dú)的各個(gè)芯片被裝配在公共的底板上，以便在最后封裝前可以進(jìn)行所有參數(shù)的先期實(shí)驗(yàn)。裝配方法在400a和1400a的器件上是同樣的。圖3描述了裝有單個(gè)芯片的安裝芯片的底板。圖4描繪了僅有盒子/定位件插入的1400a器件，在圖5中描繪了既有芯片/鉬定位結(jié)構(gòu)和在適當(dāng)?shù)奈恢蒙系陌l(fā)射極鉬層。實(shí)際上，圖3中的所有部件在封裝之前被裝配好的。
圖3 單芯片底板
圖4 盒子/定位件插入的1400a器件
圖5 帶有芯片/鉬層發(fā)射極有鉬定位結(jié)構(gòu)的400a器件
圖6 平面門(mén)分布系統(tǒng)
用彈簧接觸插腳得到柵極接點(diǎn)同時(shí)通過(guò)它連接到外部的柵極接線端，通過(guò)一個(gè)平面門(mén)裝配如圖6[6](專利)。此平面門(mén)分布系統(tǒng)確保了各個(gè)igbt芯片柵極之間的非常低的阻抗通路。此結(jié)構(gòu)包含了集成在一個(gè)新芯片設(shè)計(jì)中的非獨(dú)立的一系列柵極電阻。
3 電氣特性
對(duì)這兩種器件的電氣特性進(jìn)行了評(píng)估[11-12]，發(fā)現(xiàn)和相當(dāng)定額的基板安裝器件有相當(dāng)?shù)碾姎馓匦?。?和表2分別給出了igbt和反并聯(lián)二極管的基本電氣特性的概要。
表1 125℃時(shí)，igbt的基本電氣特性
*額定集電極電流 **額定夾緊力
表2 125℃時(shí)，反并聯(lián)二極管的基本電氣特性
*額定集電極電流 **額定夾緊力
從圖7到圖9用曲線的方式描述了器件的部分特性。圖7包括400a和1400a兩種器件的飽和特性。圖8和圖9繪出了400a器件的開(kāi)關(guān)損耗，1400a器件的損耗可以假定損耗和電流成比例而得到。從這些曲線中，可以看出列出的特性和相當(dāng)定額的基板安裝器件的特性很類似。
圖7 飽和電壓
圖8 開(kāi)通損耗
圖9 關(guān)斷損耗
圖10 開(kāi)關(guān)波形
圖10中給出了400a器件的典型開(kāi)關(guān)波形。這些波形是針對(duì)脈寬為15μs幅值為400a的器件。該器件接入在900v的線電壓并接有0.1μf/2w緩沖器。在圖10中的比例為:集電極電流(ic)為100a/每格，集電極和發(fā)射極間電壓(vce)為200v/每格，時(shí)間是5μs/每格。在圖10中也包含有正向和反向柵極電流，以上面算起的第二根柵格線為對(duì)稱軸，為5a/每格。用于產(chǎn)生波形的柵極驅(qū)動(dòng)電路工作在正負(fù)15v，正向門(mén)電阻為3.3ω,反向門(mén)電阻為4.7ω。
圖11 可能的工作頻率
這些器件的最大工作頻率還正在研究，基于400a器件的測(cè)量特性通過(guò)近似計(jì)算，圖11給出了可能的工作頻率范圍。做了些通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間的折中假設(shè)，并且假定最大結(jié)溫為150℃。1400a器件的工作頻率按比例來(lái)預(yù)測(cè)得到。
圖11給出了典型的電壓反饋系統(tǒng)在硬開(kāi)關(guān)條件下預(yù)測(cè)的工作頻率。在諧振電路中，這些器件的工作頻率在給定的電壓和電流條件下有可能達(dá)到十分高的工作頻率，比如在大多數(shù)感應(yīng)加熱的應(yīng)用場(chǎng)合。
圖12 基板安裝器件的分布電感
圖13 壓裝器件的分布電感
在圖12和圖13中分別圖示了基板安裝器件和無(wú)焊壓裝器件的分布電感。工作在關(guān)斷期間的獨(dú)自的芯片的瞬態(tài)電壓分布是不同的。與無(wú)焊壓裝器件中的芯片串聯(lián)的共模電感的減少，確保了在每個(gè)芯片上的瞬態(tài)電壓非常小。這就有可能對(duì)這些器件的電壓額定進(jìn)行優(yōu)化。在5個(gè)芯片構(gòu)成的400a的igbt中發(fā)現(xiàn)極面間的電感小于8nh,如果用等值電感來(lái)表述，每個(gè)芯片的電感為40nh。對(duì)于類似定額的6芯片的器件如果端部間的電感為20nh，如果所有路徑都相等的話，則每個(gè)芯片的電感為120nh。對(duì)這些例子進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，此模塊的瞬態(tài)過(guò)電壓為80v，而在壓裝器件中瞬態(tài)過(guò)電壓僅為32v[6]。
目前對(duì)電感做了相等分布的假設(shè), 然而在作者對(duì)實(shí)際模塊的測(cè)試中很明顯并非如此。如果假設(shè)差別為30%則在成對(duì)器件的6芯片模塊中相應(yīng)的等效電感為128nh±38.5nh，相應(yīng)地芯片的過(guò)電壓為: 最小60v，最大111v。
通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單例子, 可知每個(gè)芯片的電感的不同，將產(chǎn)生重要影響。感應(yīng)通路的差別程度將可能增加器件的額定電流，使器件使用更多的芯片，然而在壓裝器件中每個(gè)芯片保持相同的有效路徑，相應(yīng)地減少了過(guò)電壓。
這些差別的影響程度最終決定于應(yīng)用的場(chǎng)合和模塊設(shè)計(jì)上的有無(wú)缺陷。然而壓裝器件設(shè)計(jì)中的固有減少過(guò)電壓的能力可用于針對(duì)電壓額定的芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)設(shè)計(jì)電壓只需留有較小的安全余量。
對(duì)電感的相同觀點(diǎn)也應(yīng)用到反并聯(lián)的二極管中，由于考慮到在它們和igbt芯片之間的只有很小的感應(yīng)通路，沒(méi)有使用相對(duì)高電感的引線接合，從而保證了它們?cè)趇gbt芯片反向?qū)ㄆ陂g對(duì)igbt芯片的有效箝位。
圖14 400a器件的瞬態(tài)熱阻(仿真結(jié)果)(10k/n)
圖15 1400a器件的瞬態(tài)熱阻(仿真結(jié)果)(10k/n)
圖16 熱阻和壓緊力的關(guān)系
對(duì)無(wú)焊壓裝器件的熱特性進(jìn)行了廣泛的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)它們和相當(dāng)定額的基板安裝器件有相當(dāng)大的不同。研究表明雙面冷卻的壓裝器件的穩(wěn)態(tài)電阻不亞于相當(dāng)額定的基板安裝器件，然而由于極件熱質(zhì)的增加，迅速提高了器件的瞬態(tài)熱性能。在圖14和15中分別是400a和1400a器件的典型的瞬態(tài)熱阻曲線。壓裝器件的熱阻可以表示為緊壓力的函數(shù)，400a器件的熱阻和緊壓力的關(guān)系見(jiàn)圖16。
利用高緊壓力提高改進(jìn)熱阻性能受到預(yù)期的熱循環(huán)(應(yīng)力)的限制。在額定緊壓力的條件下, 該器件在δt>900℃, 循環(huán)次數(shù)>105的條件下, 可達(dá)到的最大工作溫度為1500℃。在圖17中給出了預(yù)估的壓裝器件的熱循環(huán)性能并和公布的基板安裝器件的典型性能相比較。器件的熱性能不受封裝材料的限制。
圖17 熱循環(huán)性能
注:在寫(xiě)本文時(shí)，器件的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行，沒(méi)有觀察到器件的失效。
對(duì)本文前面的器件的電氣和熱特性敘述的補(bǔ)充，在一些應(yīng)用場(chǎng)合中壓裝器件還有些其它可利用的方面。特別是器件所固有的短路失效特性，當(dāng)需要器件串聯(lián)使用時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)可以看成一個(gè)優(yōu)勢(shì)，而不象基板安裝器件那樣[13]。當(dāng)應(yīng)用在多灰塵和荒涼的環(huán)境或要求沉浸在油中進(jìn)行冷卻時(shí)，要求封裝保證完全密封。為了在已有的裝配線上只需進(jìn)行最少的機(jī)械上的重新設(shè)計(jì)和慮及非常緊湊的水冷系統(tǒng)，工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)封裝允許被替代為別的器件的封裝。在一些應(yīng)用中，當(dāng)igbt壓裝器件不必要被替換時(shí)，電路只需要最少的電路重新設(shè)計(jì)。
通常，輔助的電路元件如緩沖電路的需求對(duì)壓裝 igbt是最小的，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，控制門(mén)觸發(fā)器很簡(jiǎn)單。在使用傳統(tǒng)的快速晶閘管或可關(guān)斷晶閘管的以前的系統(tǒng)中應(yīng)用壓裝 igbt將整個(gè)功率電路顯著地簡(jiǎn)化，同時(shí)使體積和成本減少。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)一類新型的密封封裝的無(wú)焊壓裝igbts的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了略述，相對(duì)基板安裝器件來(lái)說(shuō)該器件將提供潛在可靠性。
對(duì)此類器件的電氣特性進(jìn)行了略述和論證，它們的電氣特性不亞于相當(dāng)額定的基板安裝器件。
對(duì)此類器件的電熱特性進(jìn)行了討論，并且提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明此類器件有更好的瞬態(tài)熱性能和熱循環(huán)能力。
可以得出結(jié)論:在要求高可靠性和性能優(yōu)良的一些應(yīng)用場(chǎng)合，此類新器件比傳統(tǒng)的基板安裝器件更具優(yōu)勢(shì)。
5 致謝
著者要對(duì)r.irons, m.evans 和k.billett表示致謝，感謝他們?cè)陂_(kāi)發(fā)此類新器件中所做的工作。
參考文獻(xiàn)
[1] m.hiyoshi, s.yanagisawa, k.nishitani, k.kotake,hmatsuda, s.teramae, y.baba, "a 1000a 2500v pressure mount rc-igbt", epe'95, sevillia spain, 1995, pp 1.051-1.056.
[2] y.seki, y.takabbbbi, t.koga, m.ichijyou and h.kirihata, "power pack igbt:higu power(2.5kv,1kv)rc-igbt with highly reliable flat package"epe'95,sevillia spain, 1995,late paper.
[3] h.matsuda, m.hiyoshi and n.kawamura, " pressure contact assembley technology of high power devices" ispsd'97, weimar germany, 1997,pp17-24.
[4]y.takabbbbi, k.yoshikawa, t.koga, m.soutome,t.takano, h.kirihata and y.seki, "ultra high-power 2.5kv-1800a power pack igbt", ispsd'97, weimar germany, 1997, pp233-236.
[5] m.hiyoshi and k.nishitani, "3.3kv and 2.5kv press pack igbt switching perbbbbance and mechanical reliability", pcim-euerope, nǜremberg germany, 1997, pp 205 to 215.
[6] f.wakeman, k.billett, r.irons&m.evans" electromechanical characteristics of a bondless pressure contact igbt", apec'99, dallas usa, 1999, pp312-317.
[7] a.hamidi, g.coquery and r.lallemand,"reliability of high power igbt modules testing on thermal fatigue effects due to trbbbbbb cycles", epe'97,trondheim norway, 1997, pp 3.118-3.123.
[8] p.jacob, m.held, p.scacco and w.wu, "relibility testing and analysis of igbt power semiconductor modules", iee=igbt propulsion drives colloquium,london uk, 1995, pp4/1-4/5.
[9] w.wu, m.held, p.jacob, p.scacco and a.birolini, "thermal stress related packaging failure in power igbt modules", ispsd'95, yokohama japan, 1995, pp330-334.
[10] w.wu, m.held, p.jacob, p.scacco and a.birolini, "investigation on the long term reliability of power igbt modules", ispsd'95, yokohama japan,1995, pp443-448.
[11] westcode rating report 98tr04ad.
[12] westcode rating report 98tr05ad.
[13] s.duong, c.schaeffer, f.sarrus and c.mulertt,"investigation on fuses against case explosion"pcim-europe, nüremberg germany,1997, pp123 to 132.
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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