摘要：本文介绍了新一代IHM.B具备更强机械性能的高功率IGBT模块，其融合了最新的设计、材料、焊接和安装技术。首批IHM.B模块将搭载最新的、采用沟槽栅单元设计的3.3kV IGBT3芯片，在保持机械兼容性的同时，极大地提高了器件的热效率和电气效率。通过相关计算和实测，在Tjmax=125℃和使用Rthhs=6K/kW、Ta=60℃的水冷散热器的条件下，新型器件的最低贮存温度可以低至-50℃，最大结温提高至150℃，电流输出能力可提高50%以上。本文还对宇宙射线以及功率循环试验进行了研究。
关键词:具备更强机械性能 高功率IGBT模块 3.3kV IGBT3芯片技术
[中图分类号] ？？ [文献标识码] B 文章编号1561-0330(2009)06-0000-00
1 引言
从1900年开始，基板尺寸为130*140mm或190*140mm的IGBT高功率模块IHM，就已经为同类产品设置了机械标准。从那时起，所有领先供应商都根据这一机械尺寸（如基板尺寸和附着点）提出了自己的蓝图。很难想象如果没有这一标准化的元件，今天的高功率变频器设计会是什么样子。现在，英飞凌又发布了下一代IHM，其中融合了最新的设计、材料、焊接和安装技术。首批IHM B模块将搭载最新的3.3kV IGBT3场终止加沟槽栅的芯片。
2 高性能的新型IHM B模块介绍
2.1IHM B外壳技术
与现有IHM的电气和机械接触点（螺丝和引出端位置）完全兼容，是对新设计的一个基本要求。通过对底板重新布局，并使用键合技术替代内部PCB来实现底板的互联，可简化内部模块的设计。通过提高自动化程度、减少元件数量和手工步骤，可提高质量和长期成本效益。具有滑盖的一体化外壳简化了安装，并允许使用一种新型的引出端。IHM A和IHM B外壳图1所示。
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图1 IHM A和IHM B外壳的比较
2.2 RoHS
新型的IHM B外壳所使用的材料符合RoHS（限制使用某些有害物质）标准。虽然高功率电子产品不在这一指令所规定的范围之内，但英飞凌已经制定了一个比RoHS要求更为严格的绿色产品标准，只允许新设计使用未添加溴化阻燃剂的无汞、无镉、无六价铬材料和无铅的外部焊接管脚。
2.3突破低、高温度极限
（1）超低温特性
不久的将来，俄罗斯将成为牵引应用的一个新兴市场。将贮存温度降低至现有模块-40℃的水平以下，是对能够在西伯利亚正常工作的产品的一个特殊要求，但目前市场上现有的模块不能满足这一要求。一种特制的可塑性更好的硅胶扩大了IHM B的温度范围，使最低温度降低到-50℃。
（2）超高温特性及试验
●通过加速寿命试验（也被称作热冲击试验）进行验证了IHM B温度范围和超高温特性。通过双箱试验使环境温度在最低-50℃和最高150℃的贮存温度之间发生变化，对模块施加最大的热应力。试验证实，即使在最坏情况下，材料之间不同的热膨胀系数也不会导致材料和连接的损坏。
●在高温端，提高结温，使最大开关工作温度超过现有模块125℃的水平，可获得更大的电流传导能力和功耗，还对IHM B中所使用的新型元件连接技术和焊接技术将最大结温提高到Tvjop,max=150℃，使其连续工作验证了该芯片的超高温特性。
（3）功率循环试验
除把最大结温提高到Tvjop,max=150℃水平上通过使其连续工作来验证芯片外，还进行了功率循环试验，对结不断施加以几秒为周期进行功率循环试验，使其不断达到Tjmax的温度。实验结果是，IHM B在150℃的峰值温度下能达到与普通的IHM A模块在125℃的峰值温度下相同的功率循环能力。或者说，IHM B在125℃的峰值温度下的功率循环能力是IHM A的两倍。IHM A在Tjmax=125℃和IHM B在Tjmax=150℃下的功率循环能力试验结果如图2所示。
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图2 IHM A在Tjmax=125℃和IHM B在Tjmax=150℃下的功率循环能力
3 IHM B模块的新型引出端设计
由于新型芯片技术使得电流密度不断增加，现有的模块必须要能容纳标称电流值高达3600A的1200V和1700V芯片。
3.1 IHM A模块的缺陷与局限
（1）一个简单计算得出了一个令人震惊的数字：一个140*190mm IHM A的引脚电阻为0.12mΩ。假设有一个大小在模块额定电流范围内的均方根相电流，则引脚上的功耗总共将高达770W。
（2）IHM A的引出端是被焊接到底板上，并且在主平面上弯曲，来对外力进行机械去耦。集电极和发射极的引出端是一致的，并且安装时要旋转180°。因此必须使用长孔。
3.2 IHM B模块新型引出端设计
（1）在IHM B中通过使用直径更宽的铜线，使功率引出端的引脚电阻降低了45%。
（2）为了使引出端与散热器和汇电杆之间能更好地散热，还采取了其它一些措施。新型引出端在安装时已经弯曲。用圆孔来取代以前必须用来对引出端的位置排列进行适当补偿的长孔，增加了接触面积。图3示出了 IHM A和IHM B的引出端设计对比。
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图3 IHM A和IHM B的引出端设计对比
IHM B引出端较大的焊接表面增大了到基板的热流，弯曲能满足引出端所需的柔韧性，起到足够地减缓应力的作用，并且还不会限制热流。参考文献[2]中进行了一系列热相关计算，证明了这些措施的有效性。为了支持所需的低感应变频器设计，对IHM B模块中的电流循环进行了优化。内部模块的杂散电感被降低了40%以上。图4是在I=300A和Th=80℃的条件下，IHM A和IHM B功率引出端的温度分布示意图，充分说明了IHM B功率引出端设计的优势。
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图4在I=300A和Th=80℃的条件下，IHM A和IHM B功率引出端的温度分布
4 IHM B模块的全新工艺设计
4.1 IHM B模块全新芯片布局
如图4所示，由于IHM B在模块中央采用了新型的引出端，模块内部的芯片也需要被重新布局。图5示出了搭载第2代3.3kV芯片的IHM A和搭载3.3kV IGBT3芯片的IHM B的布局对比。
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图5 搭载第2代3.3kV芯片的IHM A和搭载3.3kV IGBT3芯片的IHM B的布局对比
最显著的变化是二极管芯片的数量从两个增加到四个。在电学有效面积保持不变的情况下，热有效面积得到了显著增大。虽然IGBT芯片的数量保持不变，但现在芯片被更紧凑地放置在一起。芯片与基板螺丝更靠近并且距离基本相等，这就使得与散热器的热接触更加理想，从而补偿了由于芯片间均匀的温度分布所引起的热传递速率的降低。
4.2 IGBT和二极管部分的平衡
由于牵引应用需要尺寸足够大的二极管来进行再生操作，因此需要特别注意IGBT和二极管部分的平衡利用。对开关和导通损耗，以及热阻Rthjc和Rthchs的仔细调节，有助于在功率因子为1或-1时，得到相同的电流利用率。图6是使用红外测量技术比较同等功率下IGBT和二极管芯片的温度图。
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图6使用红外测量技术比较同等功率下IGBT和二极管芯片的温度
4.3简化安装设计
要使芯片能向周围环境适当地散热，需要在基板到散热器之间形成有效的热流。两个部件之间必须有良好的力接触，这对于那些被放置在模块中央远离螺丝位置的芯片尤为重要。通过模块基板的弯曲能实现这一压力；基板实现经过机械处理后具有正曲率。但另一方面，基板的弯曲在安装过程中会对模块施加机械应力。这将增大陶瓷底板破裂的风险。
对于目前的模块，必须遵守经过精心定义的螺丝安装次序，这样在安装过程中，模块才能缓慢地松弛，并且使其突出的形状适用散热器的轮廓。平面基板能降低所需的松弛率，因此陶瓷底板破裂的风险也小得多。
由于IHM B模块中芯片沿长边沿放置，并且更靠近螺丝孔，因此由基板弯曲产生的应力变得不再那么重要。由于螺丝已经能够带来很好的接触，因此可以使用曲率几乎为零的平面基板。这将大大简化安装步骤。
IHM B的全新安装工艺设计，使其不需要遵守严格的螺丝拧紧次序。可以按照任意次序紧固螺丝。使用机械强度更高的新型陶瓷底板材料，进一步提升了这一解决方案的健壮性。除提高强韧性之外，这些措施还可以让用户在安装过程不再那么“谨小慎微”。
4.4 3.3kV IGBT3芯片工艺特点
（1）IGBT3芯片与新型外壳这一技术已在额定电压为600V、1200V和1700V的产品中得以使用。这种结构使用一种经过仔细优化的沟槽栅单元，来满足3300V额定电压下对于过电流关断和短路可靠性的要求。
（2）与平面单元相比，沟槽栅单元的设计带来了器件正面的存储电荷载流子的增多，开态损耗减小。通过对单元尺寸和间距进行设计，在开关损耗和导通损耗之间寻求最佳平衡，可满足产品的不同要求。大家知道，过高的载流子浓度会增大关断延迟，并减小关断时的电压变化率，从而导致较大的关断损耗，并且还无法对电压过冲进行很好的控制。
（3）与IGBT一起使用的二极管基于Emcon概念，为了与IGBT所关注的损耗有良好的匹配，二极管也采用了垂直结构。
（4）实现了两种芯片组版本
快速芯片版本用于更高的开关频率，即用于永磁体马达，而软开关版本针对杂散电感很高的情况下的大电流应用进行了优化。这两种版本的芯片组在器件的垂直结构上有所不同。图7示出了垂直结构和器件中相应的电场分布。
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图7垂直结构和器件中相应的电场分布
4.5防宇宙射线的设计
由宇宙射线产生的高能中子对于反偏的功率器件十分有害，因为它们能在本地产生很强的带电等离子区，从而可能触发半导体内由于大量电荷倍增所引起的破坏性放电。通过相应地设计器件内部的电场、加固发射极并仔细地设计边缘引出端的结构，可以遏制宇宙射线所引起的失效。图8示出了导致功率二极管中发生中子诱发击穿的基本机理。
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图8导致功率二极管中发生中子诱发击穿的基本机理
由于这一失效机制是由电荷倍增所引起的，因此故障率会随所加的电压成指数增长，但会随温度的升高而降低。定量的数据由全面的器件模拟得到。
以得到由宇宙射线引起的100 fit（这个值小到可以忽略）的故障率为例，所需的直流电压在额定电流1200A的第2代器件中，最大为1800V，而在额定电流1500A的第3代器件上升至最大2100V。考虑到典型的直流电压标称值1500V+30%，我们引入了较大的安全容限，以忽略在大多数应用中的宇宙射线效应。
4.6 150℃结温设计
提高工作温度的一项关键技术就是电场截止结构。与传统的NPT结构相比，电场截止会导致反向电流的大幅度降低，尤其在高温条件下。这一技术不仅在阻断操作时，而且在短路后和过电流截止时，都能阻止热量的失控。
二极管Emcon的概念对反向电流产生了积极的影响，由于不必在局部降低由辐射引起的载流子寿命，因此增大了反向电流。
另一个主要特性是IGBT的沟槽栅单元，它在工作结温升高到150℃时，仍然具备很好的过电流关断可靠性。图9示出了在5*Inom、Tj=150℃和VDC=2500V时的过电流关断（VGE：5V/div，VCE：500V/div，Ic: 1200A/div）波形。
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图9在5*Inom、Tj=150℃和VDC=2500V时的过电流关断波形
5 新型芯片的电流输出能力可提高50%以上
在Tjmax=125℃和使用Rthhs=6K/kW、Ta=60℃的水冷散热器的条件下，进行热比较计算，我们将会发现，与目前的标准器件相比，快速版本的性能在整个频率范围内都有很大的提高。软开关版本在1000Hz以下的开关频率范围内显示出优势。即使在杂散电感很大的情况下，它的软开关特性依然使其成为大多数高功率范围变频器的首选器件。使用新型IGBT3技术替代标准的NPT器件，能够让变频器的电流输出能力提高20%。图10是IHM B外壳中的IGBT3（软开关版本FZ1500R33HL3和快速版本FZ1500R33HE3）与IHM A外壳中的标准NPT器件FZ1200R33KF2C之间的电流输出能力对比曲线。如果我们能够利用IHM B的工作温度上限为150℃的这一特性，新技术的潜力将更为明显。与目前的标准器件相比，新型芯片的输出电流提高了50%以上。
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图10 IHM B外壳中的IGBT3（软开关版本FZ1500R33HL3和快速版本FZ1500R33HE3）与IHM A外壳中的标准NPT器件FZ1200R33KF2C之间的对比
6 结束语
本文探讨了在现有的IHM高功率模块中采用最新的材料、焊接和安装技术，所带来的电气和机械性能的提升。在保持机械兼容性的同时，最新推出的IGBT3芯片技术极大地提高了器件的热效率和电气效率。通过相关计算和实测证明，新型器件的最低贮存温度可以低至-50℃，最大结温提高至150℃，电流输出能力可提高50%以上。
作者简介
Th. Stolze：英飞凌科技股份公司 地址：Max Planck Str. 5, D-59581 Warstein Germany
J. Biermann：英飞凌科技股份公司 地址：Max Planck Str. 5, D-59581 Warstein Germany
R. Spanke：英飞凌科技股份公司 地址：Max Planck Str. 5, D-59581 Warstein Germany
M. Pfaffenlehner：英飞凌科技股份公司 地址：Am Campeon 1-12, D-85579 Neubiberg, Germany
参考文献
[1] J. Biermann, T. Schütze, O. Schilling, M. Pfaffenlehner, C. Schäffer, ”New 3300V Trench IGBT Module for Highest Converter Efficiency“ Proc. PCIM, 2005, Nürnberg
[2 ]A. Cosaert, M. Beulque, M. Wölz, O. Schilling, H. Sandmann, R. Spanke, K. Appelhoff, “Thermal Properties of Power Terminals in High Power IGBT Modules” Proc. PCIM, 2005, Nürnberg
[3] J. Biermann, O. Schilling, J.G. Bauer, G. Achatz, “New 3300V High Power Emcon-HDR Diode with High Dynamic Robustness“, Proc. PCIM, 2003, Nürnberg
[4] M. Bakran, M. Helsper, H. Eckel, A. Nagel, “Multicommutation of IGBTs in large inverters”, Proc. EPE, 2005, Dresden
[5] G. Soelkner, W. Kaindl, H.-J. Schulze, G. Wachutka, “Reliability of power electronic devices against cosmic radiation-induced failure”, Microelectronics Reliability 44
(2004) 1399-1406.
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