常用的IGBT功率模块新型封装类型有哪些?

现有的封装结构和监测方式极大地提高了Si基功率模块工作的稳定性

2022-12-14 10:06 chongln
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现有的封装结构和监测方式极大地提高了Si基功率模块工作的稳定性。但面对SiC功率模块的高频率和高电压的工况,现有封装结构在封装寄生参数和散热能力方面均无法满足需求。为解决现有封装结构直接用于SiC模块封装存在的问题,新的封装结构被提出,如直接导线键合(DLB)、柔性封装(FPC)和叠层封装。因新封装类型应用不广泛,还未有针对性的失效监测研究出现。

1 DLB封装

       为了减小引线的接触电阻和电感,Narazaki针对功率模块提出DLB封装结构。与传统焊接型相比,其将MOSFET源极使用铜板引出,而不再使用键合线引出。2015年三菱电机推出的J1系列产品首次将该封装结构应用在车用IGBT功率模块上。其测试表明,使用DLB封装不仅使得键合电阻和电感的减小量超一半以上,而且使得IGBT功率模块芯片温度分布更加均匀。对比传统键合和DLB封装的IGBT功率模块在短路故障下失效后残余电阻的情况,就可以得出DLB封装在短路故障下具有更好的失效模式。

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2柔性封装

       FPC具有良好的绝缘性能和电磁性能。赛米控(SEMIKRON)基于FPC提出了SKiN技术,利用FPC代替引线键合。该封装方式将杂散电感降低到1.4nH,实现了对杂散参数的有效控制。同样使用聚酰亚胺作为绝缘隔离的封装工艺有通用电气的功率叠层封装(POL)技术和西门子的平面互联技术(SiPLIT)。这两个封装结构均是通过激光烧蚀打孔和溅射的方式形成金属层,建立电极连接。通过POL技术实现上表面的平坦,并利用微流道设计了双面散热的IGBT功率模块,并得出流体流速与模块热阻的关系。

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3叠层封装

       参照压接叠层的封装方式,一些新的叠层封装如双面焊接、“模糊按钮”和3D压接封装被提出。针对传统封装散热性能差的问题,一些研究仿照单面焊接封装的形式,在芯片顶部使用焊料和DBC进行电气连接,提出了双面焊接的封装结构。

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为解决压接封装中压力接触的问题,浙江大学团队提出了使用“模糊按钮”(fuzz button)和低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC)的压接SiC封装。以上封装在寄生电参数和热传导方面进行了极大的改善,但都使用了多层材料堆叠的形式,因此仍然存在CTE不匹配带来的电热力疲劳问题。