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IGBT的封装失效机理.doc


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IGBT的封装失效机理
概述
IGBT是一种新型的电力电子器件,诞生于70年代后期,刚开始时因其自身的PNPN四层结构构成了一个寄生的晶闸管,容易产生闩锁现像(Latch-Up)。直到80年代通过将源区N+和P阱用金属层短路才基本消除闩IGBT的封装失效机理
概述
IGBT是一种新型的电力电子器件,诞生于70年代后期,刚开始时因其自身的PNPN四层结构构成了一个寄生的晶闸管,容易产生闩锁现像(Latch-Up)。直到80年代通过将源区N+和P阱用金属层短路才基本消除闩锁现像,这才使得之实用化成为可能。由于它是一种复合型晶体管,既具备MOSFET的高速切换能力,又有晶闸管大电压,大电流的处理能力,在200V—6500V的电力电子领域有着非常广泛的应用,并开始占据原本由GTO统治的应用领域。我国IGBT的应用市场很快占到了世界市场的一半,然而,我国的IGBT芯片技术还不成熟,主要依赖于进口,这成了我国电力电子的软肋,也是我国科技中的薄弱点。
在种类上,IGBT主要分为穿通型(PunchThrough),非穿通型(NonPunchThrough),以及场截止式(FieLdStop).相比于穿通和非穿通型IGBT,场截止IGBT 芯片更薄,导通损耗更低,;由于功率芯片工艺条件的限制,单个IGBT芯片面积很少超出2-3cm2,电流等级也不会超过150A。为应对大电流的需要,通常将多个IGBT芯片并联而成。同样将芯片串联而成可实现高的耐压能力。这样,IGBT模块应运而生。
IGBT模块结构
IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成,个芯片之间通过铝导线实现电气连接。标准的IGBT封装中,单个IGBT还会并有续流二极管,接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶,最后用塑料壳封装,IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。
图1-1IGBT模块内部结构
从上之下它依次由芯片,DBC(DirectedBondingCopper)以及金属散热板(通常选用铜)三部分组成。DBC由三层材料构成,上下两层为金属层,中间层是绝缘陶瓷层。相比于陶瓷衬底,DBC的性能更胜一筹:它拥有更轻的重量,更好的导热性能,而且可靠性更好。
IGBT的封装失效机理
功率器件的可靠性是指在规定条件下,器件完成规定功能的能力,通常用使用寿命表示。由于半导体器件主要是用来实现电流的切换,会产生较大的功率损耗,因此,电力电子系统的热管理已成了设计中的重中之重。在电力电子器件的工作过程中,首先要应对的就是热问题,它包括稳态温度,温度循环,温度梯度,以及封装材料在工作温度下的匹配问题。
由于IGBT采取了叠层封装技术,该技术不但提高了封装密度,同时也缩短了芯片之间导线的互联长度,从而提高了器件的运行速率。但也正因为采用了此结构,IGBT的可靠性受到了质疑。不难想象,IGBT模块封装级的失效主要发生在结合线的连接处,芯片焊接处,基片焊接处和基片等位置。
在通常的功率循环或温度循环中,芯片,焊料层,基片,底板和封装外壳都会经历不同层度的温度及温度梯度。热膨胀系数(CTE,CoefficientofThermalExpansion)是材料的一项重要性能指标,指的是在一定温度范围内温度每升高1度,线尺寸的增加量与其在0度时的长度的比值。图1-2是IGBT堆叠结构中常用材料的

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