現代功率模塊及器件應用技術（3）
Ulrich Nicolai,Tobias eimann 著 李毅，魏宇浩 譯
（賽米控國際公司）
3 功率模塊
3.1 功率模塊的構造
在一個功率模塊里，數個功率半導體芯片（MOSFET或IGBT芯片以及二極管芯片）被集成到一塊共同的底板上，且模塊的功率器件與其安裝表面（散熱板）相互絕緣。
這些芯片的底面被焊接于（或被粘貼于）一塊絕緣基片的金屬化表面上。該絕緣基片的作用是在保證良好導熱性能的同時還提供了相對于模塊底板的電氣絕緣。芯片的上表面被金屬化，它的電氣連接可以采用細的鋁制鍵接線用鍵接的方式來實現。
此外，采用混合電路或單芯片的方式，無源元件如柵極電阻、電流傳感器或溫度傳感器（例如，具有正溫度系數的電阻）也可以被集成到模塊中。
下面列出了當前應用于功率模塊的絕緣材料與基片。
3.1.1 絕緣材料
陶瓷：氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氧化鈹（BeO）、四氮化三硅（Si3N4）。
有機材料：環氧樹脂、聚酰亞胺。
3.1.2 基片
金屬片：直接銅熔結DCB（Direct CopperBonding）、主動金屬釬焊AMB（Active Metal Brazing）、絕緣金屬基片IMS（Insulated Metal Substrate），多層絕緣金屬基片（Multilayer-IMS）。
厚膜層：厚膜銅TFC（Thick Film Copper）。
3.1.2.1 DCB（直接銅熔結）
圖24顯示一個功率模塊的結構。它包含了IGBT和續流二極管，采用了當今最為流行的技術，即以三氧化二鋁或氮化鋁DCB陶瓷作為絕緣基片。這類絕緣基片具有絕緣電壓高和導熱性能優良的特點。
圖24 IGBT模塊的結構（采用SEMITRANS2封裝形式的SKM100GB123D）
制造DCB基片的絕緣材料一般厚度為0.38～0.63mm。在1000℃以上的高溫作用下，絕緣基片的上下表面分別與約300μm厚的銅層共熔在一起。然后，對上表面的銅層進行蝕刻以得到模塊所需的電路連接，并將芯片焊接于其上，而芯片上表面之間的連接則采用鍵接。DCB基片的底部被固定在模塊底板（約3mm厚）上，方式多為焊接，見圖24。
還有其他的封裝形式（例如，SEMITOP、SKiiPPACK、MiniSKiiP）。在這類模塊中，利用特殊設計的外殼結構，DCB陶瓷基片被直接壓到散熱器表面。由于省去了底板，而少了一個焊接過程。
如果將DCB技術與其他封裝形式相比較，則它的優點主要在于：銅層較厚，因而可以提供較大的電流承載力；陶瓷材料具有良好的傳熱能力，因而便于冷卻；銅材料在陶瓷上具有很強的附著力，因而提高了可靠性。
3.1.2.2 AMB（主動金屬釬焊）
AMB方法（將金屬膜硬焊接至基片的方法）是DCB技術的進一步發展。與基于氧化鋁陶瓷材料的基片相比，采用AlN陶瓷材料的AMB基片有著更小的熱阻、更低的熱膨脹系數和更穩定的部分放電能力。
圖25清楚地顯示了DCB和AMB的區別。
圖25 直接銅熔結DCB與主動金屬釬焊AMB
3.1.2.3 IMS（絕緣金屬基片）
IMS主要被應用于低成本與小功率領域，它的特點是絕緣材料被直接置于底板之上。絕緣體多為聚合物，如環氧樹脂、聚酰亞胺等，被放在一塊鋁底板上。在絕緣體上表面則粘貼了一層薄膜狀的銅層，通過對銅層的蝕刻便可以獲得所需的電路結構（類似于印刷線路板的制造），如圖26所示。
圖26 IMS功率模塊的基本結構
與DCB技術相比，IMS技術的優點在于其成本低、可以實現精細的結構（驅動和保護裝置的集成變為可能）、基片的機械強度高、以及基片面積相對較大。
然而，因其絕緣層非常薄，導致了相對于安裝面積較大的耦合電容，另外，其上表面極薄的銅層不利于芯片的熱擴散。針對這一點的改善措施可以是在芯片下面附加金屬化的熱擴散層或在絕緣層中摻鋁。
3.1.2.4 TFC（厚膜銅）厚膜基片
與DCB相同，厚膜片的基本材料也是絕緣陶瓷。但它可以用硅膠直接被粘貼于或焊接于底板以及散熱片之上，如圖27所示。
圖27 TFC功率模塊的基本結構
陶瓷上表面的印制電路由銅組成，并通過篩印方法而得到。功率半導體芯片或其他元件則被焊接于或粘貼于印制電路上。
TFC技術還可以與標準的厚膜技術相結合使用。
由于采用厚膜技術中常見的材料可以實現幾何尺寸很小的電阻，以及相互絕緣的印制電路可以被分層與重疊，所以，在一塊小面積上可以集成相當多的系統元器件。但由于印制電路的連線非常細（例如15μm），此類構造的電流承載能力局限在10A以內。
3.2 功率模塊的性能
評價功率模塊各參數的重要性總是和其所應用的領域密切相關，例如，在機車牽引中可靠性最為重要，而在家用消費品中低成本則是決定性的因素。
我們將根據下列的判據來分析功率模塊的可應用性，包括“優化的”模塊復雜度、散熱能力、絕緣電壓及漏電穩定性、內部連接承受溫度或負載循環的能力、低電感的內部結構、靜態和動態的結構對稱性、低電磁干擾的內部結構、模塊發生損壞時確定且不危險的行為、簡單的安裝和連接技術、以及無污染的制造過程可回收性。
3.2.1 復雜度
最佳的復雜度不能用一個普遍適用的概念來定義。一方面，復雜的模塊可以降低系統的成本，還可以使在組合各個部件時可能產生的問題（寄生電感、干擾、接線錯誤）減到最少。
另一方面，隨著模塊復雜度的增加，其通用性則會降低（產量降低），且單只模塊的測試數量和成本也隨之增加。隨著模塊內部元器件和接線數量的增加，其損壞的概率也變大，發生故障時所需的修理也更復雜。對模塊的驅動、測量和保護裝置而言，也要求具有更高的散熱能力和抗電磁干擾的能力。
迄今為止，在驅動電路的集成方面還未形成為各方所接受的“世界標準”。由于驅動功能經常地被集成到模塊中，功率模塊的通用性越來越受到限制，模塊正在逐步成為子系統。
一方面，“智能”模塊瞄準了那些真正的大批量市場（消費品、汽車）；另一方面，也正在涉及這樣的市場，在其中眾多相似的應用可建立在具有相同基本元素的新式模塊上。盡管有時會出現不可避免的重復，但制造者所獲得的節約效應還是可以使應用者降低其系統的總成本。
圖28所示為在市場上廣為應用的、含有IGBT和二極管的功率模塊電路，圖28中所列舉的電路得到了廣泛的接受，并被大量地應用于功率電子技術和拖動技術。這些電路形式也同樣適用于功率MOSFET模塊，其應用的重點目前是電源技術。
（a）GA （b）GB （c）GH
（d）GAH （e）GD
（f）GAL （g） GAR （h）GDL
（i）GT
（j）GAX （k）GAY （l）GBD
（a）單開關，由IGBT和反向二極管混合組成（在MOSFET情形下，此處多僅為一個寄生的反向二極管）。若外電路為橋式電路，則反向二極管工作在續流模式下。
（b）兩單元模塊（半橋），由兩個IGBT和兩個混合的反向二極管組成（續流二極管）
（c）H橋（單相橋），由兩個含IGBT和續流二極管的橋臂組成。
（d）不對稱H橋，在一條對角線上有兩個IGBT以及混合反向二極管，而在另一條對角線上有兩個續流二極管。
（e）三相橋（六單元或逆變橋），由三個含IGBT和續流二極管的橋臂組成。
（f）斬波模塊，由IGBT和反向二極管加集電極端的續流二極管組成。
（g）斬波模塊，由IGBT和反向二極管加發射極端的續流二極管組成。
（h）三相橋GD加斬波GAL（制動斬波電路）。
（i）三單元模塊，由三組開關組成。
（j）單開關加集電極端的串聯二極管（反向阻斷開關）。
（k）單開關加發射極端的串聯二極管（反向阻斷開關）。
（l）兩單元模塊，帶串聯二極管（反向阻斷開關）。
圖28 含IGBT和續流二極管的功率模塊的常見電路單元
3.2.2 散熱能力
為了盡可能地充分利用芯片的理論電流承載能力，芯片所產生的功率損耗需要通過連接部分和絕緣層直接并安全地被引導至散熱表面。
圖29從原理上顯示了模塊中哪些內部參數會影響其散熱能力（內部熱阻R、內部熱抗Z），這些參數與散熱能力以及環境條件共同決定了模塊所允許的最高損耗（電流、開關頻率、電壓等）。
圖29 含DCB的功率模塊的基本結構及其傳熱圖
圖29中所示的RC元件并沒有真實地反映熱傳導的物理過程，它們只是被用來形象地表明從芯片到散熱器之間功率和溫度是由上而下流動的。但由于熱阻Rth是一個靜態的參數，所以，它可以被用來反映相應的結構單元。
然而，電容替代了真實的物理單元，它可以由實際體積元器件的熱容量（參數為體積和單位熱容）通過變換而得到，其條件是存在一個共同的熱參考點。
芯片在導通與截止狀態下以及在開關過程中會產生損耗Ptot。其散熱能力可以用降落在芯片與散熱器之間的溫度差來描述：
ΔTjh=Tj－Th（14）
式中：Tj是芯片溫度，Th是散熱器溫度。
這個溫差與損耗之商即為熱阻Rthjh（靜態），在過渡過程中我們還使用熱抗Zthjh。
圖29顯示了模塊內部各單元對Rthjh和Zthjh的影響，它包括：
1）芯片（表面、厚度、幾何形狀和放置）；
2）DCB基片的構造（材料、厚度、基片上表面的結構）；
3）芯片與基片之間連接的材料和質量（焊接、粘貼）；
4）底板的存在與否（材料、形狀）；
5）基片底面與底板之間的焊接（材料、質量）；
6）模塊的安裝（表面狀況、與散熱片表面的熱連接、導熱脂或導熱膜的厚度與質量）；
7）在復雜的功率模塊中還有芯片之間的發熱交互影響（熱耦合）。
對于具有底板的模塊來說，其外部熱阻以及熱抗的符號為Rthch以及Zthch（從底板至散熱片），而其內部熱阻以及熱抗（從芯片至底板）的符號為Rthjc和Zthjc。
Rthjh=Rthjc＋Rthch（15）
Zthjh=Zthjc＋Zthch（16）
圖30顯示了上述影響因素分別在模塊Rthjc中所占的比重。圖中的模塊采用了目前最為廣泛應用的Al2O3DCB基片和銅底板。
由圖30可見，熱阻的最大一部分是模塊的內部絕緣（如果采用薄膜或其他外部絕緣方式作為替代的話，則熱阻還會再增加20％～50％）。標準的Al2O3（熱導λ=24W/m·K）DCB基片的純度為96％。但若采用高純度（99％）的Al2O3或AIN（λ=150W/m·K）則可使熱阻得到進一步的改善。所以，特別是在高絕緣電壓的模塊（絕緣陶瓷因而比較厚）中，AIN目前已受到了廣泛的歡迎。
圖30 一個1200V功率模塊內部熱阻的比例分布（芯片面積9mm×9mm）
盡管底板由高導熱材料（Cu：λ=393W/m·K）所組成，但由于其厚度（2.5～4.5mm）的關系使它的熱阻仍然占據了模塊熱阻的相當部分。采用較薄的底板只能夠有限地降低這一比重，原因在于厚的底板具有擴張溫度場的效應，從而使芯片下層的熱穿透面積增加。在不含底板的模塊中，由于底板以及底面焊接的熱阻不再存在，因而能夠補償這種熱擴張效應的降低。
還有，如果采用合適的封裝技術（將大面積的DCB壓接在散熱器上），則芯片與基片之間的連接可以更緊密。作為對照，含有底板的模塊在焊接時不可避免地會產生變形，且因為底板只能夠在四周通過螺釘來固定到散熱器上，如圖31所示，模塊與散熱器的表面并不完全接觸。
（a）帶有底板的模塊在安裝前（底板具有預彎曲）
（b）帶有底板的模塊在安裝后（底板嚴重變形）
（c）不帶底板的DCB模塊
（例如，SEMITOP、SKiiP、MiniSKiiP）
圖31 功率模塊與散熱器接觸界面可能發生的問題
同樣不可以忽略的是芯片和基片以及基片和底板（如果存在的話）之間的接觸熱阻，該界面多通過焊接而形成（例如，λ=75W/m·K）。在不采用底板的情況下，這一部分的熱阻可以減少約50％。
基片的金屬表面在熱阻中所占的比例主要由上表面銅層的結構所決定，該結構被用來放置芯片并實現模塊內部的電氣連接。由于基片底部銅層在垂直方向上的散熱基本不受任何阻礙，所以，熱量的傳導以及擴張效應實際受到芯片下面銅層幾何形狀的限制。
硅芯片在總熱阻中所占的比例隨著芯片的厚度的增加而增加，而芯片的厚度又是由其正向截止電壓以及制造技術所決定的。
還有，芯片的面積決定了芯片與底板或散熱器之間的傳熱面積。
3.2.3 絕緣電壓與漏電穩定性
隨著IGBT模塊進入越來越高的電壓領域，有關對高絕緣電壓和高漏電穩定性的要求也相應增加。
絕緣和漏電穩定性取決于芯片底部絕緣的厚度、材料、均勻度，以及外殼的材料。在某些情況下也取決于芯片的布置。
目前的晶體管模塊具有2.5～9kV（有效值）的絕緣測試電壓。在生產過程中，每一個模塊都需要經過測試。
圖32顯示了各種標準厚度的絕緣基片所能夠達到的最大絕緣電壓。
圖32 不同絕緣基片的絕緣電壓（DCB、IMS、TFC）
3.2.4 負載循環能力
當開關頻率小于3kHz時，特別是間歇運行時，例如，拖動、電梯或脈沖負載，負載的變化會導致模塊內部連接的溫度變化。模塊的內部連接是指
1）鍵接；
2）芯片底部的焊接；
3）陶瓷基片和金屬底板之間的焊接；
4）金屬與陶瓷基片間的熔接（金屬銅生長于Al2O3或AlN之上）。
在加工和運行時，這些材料在長度方向上的膨脹系數的不同，會因受熱而產生變形程度的不一致，最終導致材料的疲勞和磨損。芯片的壽命（可能的開關次數）隨著芯片溫度變化幅度的增加而降低。
由功率模塊的結構可知，陶瓷基片和銅底板之間的焊接最為重要，原因是它（當相鄰兩種物質的膨脹系數之差大致相同時）明顯地具有最大的面積。因此，有必要采用高質量的焊料和焊接方法，以避免陶瓷基片在溫度大幅度變化時的變形和損壞。
此外，采用多塊陶瓷基片，用以減小單塊基片的面積也是常用的辦法，這個方法可以盡可能地減小溫度膨脹的絕對數值。
3.2.5 模塊內部的低電感設計
以一個半橋模塊為例，圖33顯示了模塊內部最主要的寄生電感。由于芯片之間的連接以及芯片對模塊端子的連接（鍵接線和內部連線）必不可少，所以產生了這些電感。
圖33 兩單元IGBT模塊的寄生電感
LσG——柵極寄生電感；
LσC——上開關集電極寄生電感；
LσEC——上開關發射極與下開關集電極之間的寄生電感；
LσE——下開關發射極寄生電感；
LCE——上開關集電極與下開關發射極之間的總寄生電感；
由于這些電感會在關斷時感應過電壓，在開通時延緩電流上升速度di/dt，以及在控制和功率電路之間引起電感式耦合，如何減小它們會直接影響到功率模塊的使用。
另外，如果模塊內部的芯片是并聯的，則寄生電感會引起芯片的動態不均衡以及芯片之間的振蕩。
在以后的章節還將進一步討論此現象。
3.2.6 內部結構與電磁干擾
由于MOSFET和IGBT模塊的電流和電壓上升時間極短，多位于ns級范圍之內，所以，它們會產生頻率遠在MHz之外的電磁干擾。干擾電壓的幅度主要受模塊內部的寄生元件，還有干擾在模塊內以及接口處的傳播途徑的影響。
通過選擇合適的絕緣材料、減小耦合面積或者應用導電屏蔽可以降低非對稱干擾。
此外，選擇合適的內部連線結構，避免由于外部電磁場或者變壓器式耦合對控制線的干擾而引起的誤動作。
電磁干擾在另一方面的體現是對地電流，即iE=CEdvCE/dt。該電流源于絕緣基片的電容CE，由IGBT在開關時所產生的dvCE/dt所引起，并通過接地的散熱器流入保護地端子。
相對來說，絕緣底板的電容越低，則允許的開關速度便越高。
圖34列舉了常用的具有標準厚度的基片材料的電容值?；诓牧喜煌碾娊橘|常數以及不同的標準厚度，電容值CE也相應不同，并決定了在最大允許對地電流條件下所允許的最高開關速度。標準厚度是由導熱能力所決定的，例如，AlN基片的值最大，為630μm，而IMS的值最小，為120μm（采用環氧樹脂絕緣時）或25μm（采用聚酰亞胺絕緣時）。
圖34 不同絕緣基片單位面積的電容值
3.2.7 模塊在失效時可定義的安全行為
在模塊失效的情況下（比如說由驅動錯誤引起），以一個電壓型電路為例，儲存在直流母線電路中的全部能量將注入到模塊中。在鍵接線熔斷后，這一能量的絕大部分會形成電弧，進而可能導致模塊爆炸。
在傳統的模塊中，這一現象可能引起電路中斷，主電路短路、甚至絕緣被燒毀。電弧和模塊的殘骸會高速射向模塊的周圍。
通過良好的模塊外殼設計，可以使此類危險降低至最低程度，并將爆發的物質引導至一個固定的方向。
3.2.8 無污染回收
通常，目前的功率模塊已經避免使用有毒材料（例如BeO），而且材料的種類也在盡可能地減少。
外殼和其他材料應該具有阻燃性，并且在燃燒時不能產生毒氣（UL認證）。
模塊在回收時應該能夠被簡單地分離為金屬和非金屬部分。因此，新型的模塊僅含有彈性的注入材料（軟注入）。
（未完待續）