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高可靠性SLC技术有效提高第7代工业IGBT模块的功率密度，并扩展其产品阵容
作者：三菱电机欧洲公司Thomas Radke和Narender Lakshmanan,以及日本三菱电机功率器件制作所Takuya Takahashi和Shinsuke Asada
摘 要
三菱电机第7代650V和1200V电压等级工业IGBT模块已经在市场上进行推广,其所采用的最新芯片技术使其能够满足各种工业电力电子应用要求.结构紧凑、功率密度高、可靠性高、效率高及成本合理等优势,使第7代NX封装IGBT模块能够满足几乎所有应用的需求.为了将适用领域扩大至1700V电压等级,作为SLC技术关键元素的IMB结构需要进一步改进.
高导热性和高绝缘性的SLC技术
一般情况下,Al2O3基板经常被用作功率半导体模块的绝缘层,三菱电机在其第5/6代IGBT模块中率先采用了AIN基板.如图1所示,采用AIN代替Al2O3后,模块的导热性能显著提升,芯片和基板之间的总热阻Rth（j-c）减少了约35%.
然而,进一步提高陶瓷材料的导热性能十分困难.如表1所示,由于各个材料的CTE（热膨胀系数）不同,所以在热循环过程中陶瓷绝缘层与金属层之间焊接层存在热应力问题.为了降低热阻而采用较薄的陶瓷基板并不是理想的方案,厚度越薄意味着其对机械应力就越为敏感.为了有效解决这个问题,三菱电机开发了采用IMB的SLC技术,其结构横截面如图2所示.
通过对IMB结构中树脂绝缘层进行设计,使其CTE接近顶部和底部金属层的CTE,从而降低CTE失配带来的机械应力损伤.与使用陶瓷绝缘基板的传统结构相比,IMB结构中树脂绝缘层的厚度和金属层的厚度分别可以增加或减小.通过采用这种方法,可以在模块底部用一个厚的金属层来替代金属底板来消除传统模块中底板和陶瓷基板间的大面积焊接层,进而改善模块的热阻和热循环能力.
由于IMB结构不存在陶瓷基板固有的尺寸限制,因此其具有比陶瓷基板更大的芯片安装可用面积,这也使IMB的尺寸和形状设计具有更大的灵活性.因此,可以通过去除多个绝缘基板之间的连接导线来实现模块中更高的芯片安装密度,还可以增加顶部金属层的厚度来减小电气引线电阻.这就允许采用较窄的电流走线来设计顶侧金属化图形,有助于进一步增加芯片安装可用面积,进而增加模块的功率密度.
增加顶部金属层的厚度可以使热阻Rth（j-c）进一步降低,同时使模块热容增加进而降低模块瞬态热阻抗Zth（j-c）.
针对高绝缘耐压优化IMB性能
表2中给出了第7代NX封装IGBT模块的产品阵容,650V和1200V电压等级模块的绝缘耐压按照相关标准为Viso等于2.5kVAC/1min,而1700V电压等级模块的绝缘耐压应为Viso等于4kVAC/1min.
NX封装IGBT模块封装外形如图3所示,同样的62x152mm2封装尺寸被用于650V、1200V和1700V等3个电压等级的600A 2inl模块中.
为使这个封装尺寸在Vces等于1700V和Viso等于4kV条件下实现600A的额定电流,IMB结构仍需改进,有必要进一步改善树脂绝缘层的导热性,以弥补为达到Viso等于4kV所增加树脂绝缘层额外厚度带来的热阻增加.
IMB的绝缘层由树脂颗粒和陶瓷颗粒混合组成.要实现导热性能的进一步改进,有必要增加绝缘层内导热路径的面积（即陶瓷颗粒与树脂颗粒的比例,陶瓷颗粒比例越高则导热性越好,反之亦然）.然而由于体积固定,如果陶瓷颗粒比例增加,就意味着树脂颗粒数量减少.而树脂颗粒量的降低会导致粘度降低,从而影响IMB制造工艺的可生产性.此外,如果陶瓷颗粒体积浓度超过了一个临界值,那么IMB的电介质击穿电压能力也会急剧下降.因此,陶瓷颗粒数量、树脂颗粒数量以及陶瓷颗粒分布都需要严密的调整,以使绝缘层具有良好的平衡特性.凭借优化的树脂材料设计和IMB制造工艺,1700V电压等级NX封装IGBT模块的导热性能和耐压能力同时得到了大幅提高.
图4给出了IMB在不同树脂绝缘层厚度下的热阻测量结果,由于树脂绝缘层的导热性能提高了50%,全新IMB的总热阻要比传统IMB的降低约35%.全新IMB的局部放电起始电压(PDIV)具有与传统IMB层相似的对厚度的依赖性.这个全新IMB结构已被证实在具有等效PDIV和绝缘特性的同时,导热性也得到了大幅改善.
通过改进IMB结构减小模块封装尺寸的成功案例如图5所示.第6代600A/1700V 2inl IGBT模块的封装尺寸为122x 152mm2,而第7代NX封装同功率规格IGBT模块的封装尺寸仅为62x 152mm2,尺寸较之第6代产品减小了49%.
图6给出了全新IMB和传统IMB的特性总结,通过评估证实了采用新IMB结构的1700V IGBT模块的热阻比采用传统IMB结构的1200V IGBT模块的热阻降低约5%.
另一方面,全新IMB也可降低650V和1200V电压等级IGBT模块的热阻.低损耗的第7代芯片技术和改进的SLC技术的组合将使模块的电流密度进一步增大,该项目正在开发中.
高热循环能力
SLC技术充分利用了前面所提到的各个层CTE之间的匹配.此外,DP树脂封装可以减少绑定线一芯片间的机械应力.这些都确保了模块在热循环期间具有更高的可靠性.图7给出了热循环测试（-40℃-+125℃）在初始、300次循环后和600次循环后的SAT图像.在循环300次后,传统结构的陶瓷基板下方出现了焊接层剥落的现象.而采用DP树脂封装的新结构由于只在芯片之下有焊层,在600次循环后依然没有出现焊接层剥落,这就是在消除基板焊层和使用环氧树脂封装后带来的优势.
图8给出了SLC技术的热循环试验结果(ATc等于80K (+45℃~+125℃)）,新结构在完成40k次循环后还未失效,而传统结构的基板下方出现了焊接层剥落（类似于热循环的结果）.从结果可以看出,与传统结构相比,采用全树脂新封装和IMB结构将大大增加模块的热循环次数.这是由于IMB结构去除了底板上的焊接层,从而消除了热失效的薄弱点.
SLC技术有效消除泵出失效
如上所述,通过改进IMB结构有效降低了模块的Rth（j-c）.为了实现更高功率密度和更高可靠性,底板和散热片之间的热阻Rth（j-c）也必须进行优化.
一般情况下,热界面材料被涂抹在模块底板和散热器安装区域之间,以增强热接触,而热界面材料参数（如厚度、性能、材料属性）都对散热性能和可靠性都有一定影响.另一方面,功率半导体模块的底板形状会因为IGBT和二极管芯片中功率损耗所产生的温度变化而发生形变.
底板上小而重复的形变会将热界面材料推出模块底板与散热器的接触面,这种现象被称为泵出现象.为保证热界面材料的长期稳定性,有必要开发出一种能够在连续温度循环下防止底板翘曲形变的封装结构.
传统功率半导体模块的结构如图2所示,在表1中描述了其元件以及CTE值.在这种结构中,陶瓷材料、焊接材料与铜底板都是模块基本组成部分,且具有不同的CTE值.当外壳温度随着IGBT/FWD运行产生热量而变化时,由于CTE值不同,每个层元件都在发生不同程度的膨胀和收缩,最后各层不同应力变化导致各自不同程度的形变.类似于典型的双金属结构,这一现象就是底板翘曲形变的原因.
功率半导体模块中的反复温度变化所产生的底板重复翘曲形变如图9 (a)和(b)所示.这种底板的翘曲形变会导致热界面材料泵出,可能会导致底板和散热器之间的接触无效,进而导致Rth（j-c）增加和功率半导体模块散热能力退化.在最坏情况下功率半导体模块会加速老化,当结温超过绝对最大额定值时模块会出现热失效.
通过匹配各个层的CTE值,新封装结构可以大大降低模块的各层材料之间的CTE值的应变差,具体封装结构及其内部各层CTE值如图2和表1所述.与传统封装结构相比,这种平衡了各层间CTE值的结构大大减少由于温度变化而引起的底板形变.图10给出了传统结构和新结构的底板所受应力的有限元分析对比结果.图10所示的位移幅度已经按照相同比例扩大了范围,从而使这个差异更加可视化.
仿真结果表明,采用树脂材料封装的新结构在温度变化期间的底板形变有着很好的改善.
在环境可控实验室中测量了3个不同环境温度下底板中心点的垂直位移,其中纵向的参考长度是91mm.当温度从25℃变化到125℃,位移测量结果只有13.4μm,这意味着底板无明显翘曲形变.在采用典型热界面材料的实际评估中,在300次热循环(-40℃~+125℃)后没有发生泵出现象.
实验证明,全新功率半导体模块结构很好地匹配了各层间的CTE值,能够在热循环期间最大程度地减少底板翘曲形变,从而大幅减小泵出失效发生的可能性.
总结
优化后的SLC技术具有更高绝缘电压和优越导热性的改进型IMB结构,其将第7代NX封装IGBT模块的产品阵容扩展到1700V电压等级,1700V/600A IGBT模块也能够在122x62mm2封装尺寸中进行开发.
SLC技术大幅提高了IGBT模块的热循环能力,同时有效消除了泵出失效.第7代芯片的损耗大幅降低,使IGBT模块具有更高的效率.通过第7代芯片技术与SLC技术相结合,新开发的第7代NX封装IGBT模块可满足如高效率、高功率密度和高可靠性等电力电子系统应用关键要求.
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