第7代 IGBT 模块 X 系列

2019-11-14 14:54:28 Westpac Electronics
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近年来,为了防止化石燃料枯竭和全球变暖,人们正在追求提高能源利用率和减少二氧化碳排 放方面作出了努力。包括了马达驱动等工业应用,开关电源等民生应用,以及电动汽车和铁路、 太阳能发电和风力发电等可再生能源应用等,使用功率半导体器件的高效率电力变换装置其适 用领域和市场正在急速扩大。在功率半导体器件中,IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块具有高 速开关、大功率高效率和容易操控的特征,它在其应用领域中的使用不断扩大。

富士电机的 IGBT 模块在进入市场以来,凭借多项技术创新实 现了更低的损耗以及结构的小型化。这些创新在电力变换装置的高 效率、小型化、高性价比作出了贡献。然而,IGBT 模块尺寸的小 型化会导致 IGBT 模块在高功率密度时,结温升高和可靠性降低。 为了进一步实现模块的小型化和高效率,富士电机的第 7 代 IGBT 模块「X 系列」诞生。

图 1 是第 7 代 X 系列的芯片和第 6 代 V 系列的芯片的剖面图。 由于第 7 代 X 系列 IGBT 采用了极薄的晶元制造技术(更薄的漂 移层)和细微的沟槽栅结构,使得导通电压和开关损耗得到进一步 降低,从而使得它在损耗方面的表现比我们第六代 V 系列 IGBT 有 了突飞猛进的进步。除此之外,还优化了场截止层,这能够更好的 抑制电压振荡,降低了高温下的漏电流。 特点 2:新的封装技术(Tvjop=175°C) 富士电机的第 7 代 X 系列能够在 175°C 条件下连续工作。这 是我们在业界率先达到的标准。为了达到这个标准进行了以下三个 方面的改进。 ① 高散热陶瓷绝缘基板 图 2 陶瓷绝缘基板对芯片与外壳之间的热阻影响是最大的,第 7 代 IGBT 模块进一步减小了绝缘基板的热阻。第 7 代使用了比 Al2O3(氧化铝)更低热阻的 AlN(氮化铝)作为绝缘基板。但 是,常规 AlN 材料机械强度低,绝缘基板厚,具有高刚性。如 果外壳温度(Tc)升高时,则施加于基板下焊锡的热应力将增加, 从而降低可靠性。如图 2 所示:富士电机开发了更薄的 AlN 陶 瓷基板,并优化陶瓷烧结条件。

 Al2O3基板和高散热新AIN基板的热阻比较可以得知, 在相同的芯片尺寸上进行比较,新的 AlN 基板比 Al2O3 基板热阻降 低了 45%。 ② 高耐热硅凝胶 图 4 要保证模块有高的操作结温,在高温下,硅凝胶的可靠性必须 要得到保证。富士电机开发的新硅凝胶在高温环境下放置(215°C, 2000 小时)没有出现裂纹。图 4 为环境温度和硅凝胶使用寿命的 关系。横轴是环境温度(数值越小,温度越高)、纵轴表示硅凝胶 的寿命。在 175℃下高耐热硅凝胶的使用寿命比传统的硅凝胶提 高了 5 倍,并且寿命在 10 年以上。因此,确保了 X 系列模块在 175℃的高温下绝缘性能可以与传统产品在 150℃条件下的绝缘性 能具有相同的可靠性。 ③高强度焊锡的开发和绑定线直径 / 长度的优化 为了确保 IGBT 模块长期可靠性,有必要提高重复热应力的耐 受能力(ΔTvj 的功率循环耐量)。 在 IGBT 模块中,将绝缘陶瓷基板焊接在铜基板上,并且将 IGBT/FWD 芯片焊接在陶瓷基板上分的铜布线图案上。然后半导 体芯片和铜布线图案通过铝绑定线连接构成回路。在电力变换装置 运行期间,IGBT 模块温度会升高,由于模块内的各种材料(铜、 陶瓷、半导体芯片)的膨胀系数不同,所以在接合部位会产生机械应力。在半导体芯片的结温 Tvj 反复上升下降的使用条件下,会 重复施加热应力至芯片上方的绑定线和芯片下方焊接部分,导致 劣化。Tvj 越高,劣化的进展速度越快。通过优化绑定线的直径 和长度、新开发的高强度焊锡,在 Tvj,max=150℃、ΔTvj=50℃条 件下,第 7 代是第 6 代寿命的 2 倍。 特点 3:额定电流的提升和模块的小型化 图 5 通过减少损耗、高功率密度和高温工作,可以用同一封装来 提升电流额定值。如图 5 所示,1200 系列的 EP2 封装中,第 6 代 V 系列的最大额定电流为 50A,而在第 7 代 X 系列中,最高 额定电流已扩大到 75A。该效果可以在不改变的电力变换装置中 的壳体尺寸的情况下增加输出功率。 图 6 另一方面,扩大 IGBT 模块的额定电流,也有助于电力变 换装置的小型化。在第 6 代 V 系列模块中,额定 1200V/75A 的 IGBT 模块使用 EP3 的封装(122mm x 62mm),但在第 7 代 X 系列中,可以将相同额定值的 IGBT 模块装入 EP2 封装 (107.5mm x 45mm)。这个模块的封装面积(安装尺寸)减 少了 36%。在损耗方面如图 6 所示,第 7 代 EP2 的封装比第 6 代 EP3 的封装的损耗减少 10%。从而实现了模块的小型化。 富士电机一直在致力于技术的创新,在环境和能源领域做出 自己的贡献。


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