IGBT功率模塊是能源變換與傳輸的核心器件，被稱(chēng)為電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)，在電源、逆變器、中大功率電機驅動(dòng)等方面有廣泛的應用。
為了追求更高的可靠性和穩定性，中恒微半導體針對電機驅動(dòng)、UPS電源、感應加熱等領(lǐng)域，推出了DriveZ62封裝的IGBT功率模塊，通過(guò)以下方式實(shí)現產(chǎn)品性能提升及嚴謹有效的品質(zhì)管控：
?選用新型工藝功率芯片降低模塊功耗；
?應用高可靠性工藝封裝設計和材料；
?采用可追溯性管理進(jìn)行質(zhì)量控制。
產(chǎn)品概要
產(chǎn)品特點(diǎn)
1.1 低飽和壓降，低開(kāi)關(guān)損耗
?溝槽柵型場(chǎng)截止型IGBT芯片有助于實(shí)現模塊的低功耗化。
1.2 通過(guò)提高IGBT工作上限溫度，提高產(chǎn)品的功率密度
?實(shí)現工作結溫范圍-40 ~ 150℃，結溫上限175℃。
?提升上限溫度，提高了產(chǎn)品的功率密度，提高了散熱設計的自由度。
1.3 標準封裝，確保兼容性
?標準封裝尺寸，可與市場(chǎng)上同類(lèi)模塊兼容
主要規格
性能特性
IGBT功率模塊作為大功率的開(kāi)關(guān)型器件，其開(kāi)關(guān)特性與散熱能力是關(guān)注的重點(diǎn)。本文將以2B450M120S1P封裝模塊為例，簡(jiǎn)單介紹該封裝的電氣特性和功耗情況。
電氣特性
IGBT模塊的飽和壓降VCE sat和開(kāi)關(guān)損耗ESW是相互制約的因素，但又共同影響著(zhù)功耗情況。因此，如何根據應用情況權衡兩者間的關(guān)系，是設計需要著(zhù)重關(guān)注的要點(diǎn)之一。下圖所示是中恒微半導體與市場(chǎng)上主流A公司相同封裝模塊的綜合性能對比圖，從開(kāi)關(guān)損耗和飽和壓降的平衡設計考慮，中恒微半導體的模塊都占有較大優(yōu)勢。
（圖2 綜合性能對比圖）
且該封裝模塊具備良好的開(kāi)關(guān)特性，如圖3所示，開(kāi)關(guān)損耗對比市場(chǎng)主流產(chǎn)品，功耗降低了約10%。并且在1Ω的驅動(dòng)電阻下，峰值參數仍處于安全工作范圍，確保了產(chǎn)品的可靠性。有效控制開(kāi)關(guān)噪聲的同時(shí)提高了開(kāi)關(guān)速度，有助于降低終端用戶(hù)機體散熱結構、驅動(dòng)電路及控制程序的設計難度。
（a 開(kāi)通特性曲線(xiàn)）
（b 關(guān)斷特性曲線(xiàn)）
（圖3 2B450M120S1P開(kāi)關(guān)特性曲線(xiàn)圖@Tj=150℃,Rg=1Ω）
功耗情況
研究表明，IGBT器件的結溫每升高10℃，失效率就會(huì )增加一倍，并且絕大多數器件失效都是由于工作結溫過(guò)高導致的。因此，控制功率模塊的工作結溫是設計中需要重點(diǎn)考慮的又一因素。示例模塊的計算結果表明，在母線(xiàn)電壓600V，導通電流225A，頻率10kHz的半載工況下，示例模塊的耗散功率遠低于市場(chǎng)上A公司的產(chǎn)品，如圖4所示。
（圖4 總損耗對比圖）
根據結溫計算公式，總損耗的降低可以有效降低芯片的結溫，芯片的溫度可以受到有效控制，保證了芯片的安全工作范圍，有利于簡(jiǎn)化應用端的散熱設計。
可靠性實(shí)現
對于大功率的應用來(lái)說(shuō)，模塊的可靠性是重點(diǎn)考量的要素之一，為提高這一指標，中恒微半導體通過(guò)采用：
?高可靠性工藝體系
?高自動(dòng)化生產(chǎn)設備、工藝
進(jìn)行模塊制造，提高了產(chǎn)品的可靠性的同時(shí)也保證了產(chǎn)品性能的一致性。
（圖5 DriveZ62裝配結構圖）
信號引線(xiàn)鍵合工藝設計
該封裝模塊是并聯(lián)半橋結構，其性能高度依賴(lài)于工作條件下的均流實(shí)現，為此，中恒微半導體采用了對稱(chēng)型的布局方式，高度對稱(chēng)并聯(lián)部分的電路設計，從而實(shí)現均流特性。另外，為提高開(kāi)關(guān)過(guò)程的穩定性，端子引線(xiàn)鍵合采用先連接至DBC銅層再連接到柵極的方式，避免了開(kāi)關(guān)電流不穩定造成門(mén)極振蕩的情況，并有效降低了驅動(dòng)電感。
功率端子超聲焊接工藝
功率端子作為應用中重要電氣接口，并且是最容易產(chǎn)生疲勞失效的部位，DriveZ62封裝摒棄傳統的釬焊焊接工藝，采用超聲焊接工藝完成電氣連接，避免了連接材料之間因CTE的差異產(chǎn)生疲勞失效的問(wèn)題，大幅度提高了器件的可靠性。
（圖6 端子結構及焊接示意圖）
（圖7 經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)測試后端子結合位置破壞情況示意）
2.1 功率端子結構設計
?對稱(chēng)型的結構設計，使模塊安裝時(shí)的應力均勻分布，其折彎處更加可靠。
?應力緩沖結構的設計，減小了安裝過(guò)程端子引腳所受的結構應力。
2.2超聲焊接工藝
?更高的過(guò)流能力。根據計算，超聲焊接的電流耐受力是鋁線(xiàn)鍵合的3.5倍。
?降低熱機械應力。優(yōu)化了模塊的抗沖擊、抗振動(dòng)特性。
焊片工藝
傳統的焊膏工藝受限于印刷鋼網(wǎng)和焊膏均勻度的限制，焊料層BLT難以控制，并存在清洗工藝的難點(diǎn)與不穩定，保證空洞率的穩定性更是成為焊接過(guò)程中需要考慮的重要因素。為避免這一現象，中恒微半導體采用了全焊片工藝，既簡(jiǎn)化了回流焊接的工藝流程，又保證了焊料層的可靠性和穩定性。
3.1 使用焊片可以有效控制焊料層厚度，控制模塊熱阻
3.2 減少焊層空洞率
（圖8 采用焊片焊接的DBC下方焊接層空洞掃描圖）
總結
中恒微（ZHMSEMI）半導體推出的DriveZ62封裝IGBT功率模塊具備優(yōu)良的電氣性能、高可靠性及寬兼容性，適用于電機驅動(dòng)、UPS電源、感應加熱等應用領(lǐng)域，可以替換市場(chǎng)上的同類(lèi)模塊，為工業(yè)市場(chǎng)提供了高可靠性IGBT功率模塊的全新選擇。
