igbt主要材料及參數(shù)介紹

　　IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

　　如下圖所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

　　IGBT結(jié)構(gòu)圖

　　IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

　　IGBT模塊的材料參數(shù)

　　目前，功率器件和模塊均采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結(jié)構(gòu)。圖1為普通IGBT模塊的解剖圖。

　　圖1 IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖

　　從上圖本文可以看出，IGBT模塊共由7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，大致可以分成三部分：芯片，DBC和基板。每部分之間由焊錫連接而成。本文知道IGBT是在晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但與傳統(tǒng)的晶閘管相比，IGBT模塊省去了內(nèi)部的陰極和陽(yáng)極金屬層，分別由芯片表面引出的焊線及DBC上層銅板代替。除此之外，原先的鎳金屬緩沖層也被去掉了，其代價(jià)是單個(gè)IGBT芯片的容量減少。為了彌補(bǔ)這一缺陷，本文需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片［8］。

　　IGBT模塊是由不同的材料層構(gòu)成，如金屬，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內(nèi)部用來改善器件相關(guān)熱性能的硅膠。他們的熱膨脹系數(shù)以及熱導(dǎo)率存在很大的差異，在器件的工作過程中會(huì)出現(xiàn)意想不到的問題。

　　物理上，熱導(dǎo)率代表了物體導(dǎo)熱性能的大小。在IGBT模塊中，涉及到的材料，其熱導(dǎo)率繪成柱形圖如下：

　　圖2材料導(dǎo)熱系數(shù)柱形圖

　　熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion， CTE）是指物體在單位溫度下體積的變化，其國(guó)際單位為K-1。對(duì)于IGBT這種具有堆疊結(jié)構(gòu)的功率器件，它在正常工作下溫度很高，因此不同的材料也會(huì)因熱脹冷縮原理產(chǎn)生不同程度的形變，進(jìn)而影響器件的可靠性。圖3繪出出了模塊內(nèi)幾種材料的熱膨脹系數(shù)。

　　圖3材料的熱膨脹系數(shù)

　　有機(jī)材料的引入可以使接合線不被腐蝕，還有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，然而，它在模塊內(nèi)部形成的有機(jī)薄膜會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容，進(jìn)而影響器件的部分性能。

　　除了材料的選擇，事實(shí)上，IGBT模塊內(nèi)部每層材料的厚度也有其規(guī)范。傳統(tǒng)的IGBT模塊里，陶瓷的主要成分為Al2O3，基板采用銅材料;在高壓IGBT模塊里，DBC內(nèi)的陶瓷被AlN所取代;后期，高壓IGBT模塊又有所改進(jìn)，主要變化在于使用碳化硅鋁取代原先的銅基板。

　　表1 不同IGBT模塊各層材料的厚度 單位：mm

　　當(dāng)然，在特定的場(chǎng)合，所需的IGBT模塊內(nèi)部材料厚度也不盡相同。比方說，原先的DBC陶瓷厚度為0.63mm，但為了減少器件的熱阻，后來的設(shè)計(jì)尺寸為0.38mm；再有對(duì)于一些需要承受更大高壓的IGBT模塊，它內(nèi)部氮化鋁陶瓷的厚度達(dá)到1mm。