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富士第7代IGBT模块X系列

日期:2019-12-08 23:27
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摘要: 近年来,为了防止化石燃料枯竭和全球变暖,人们正在追求提高能源利用率和减少二氧化碳排放方面作出了努力。包括了马达驱动等工业应用,开关电源等民生应用,以及电动汽车和铁路、太阳能发电和风力发电等可再生能源应用等,使用功率半导体器件的高效率电力变换装置其适用领域和市场正在急速扩大。在功率半导体器件中,IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块具有高速开关、大功率高效率和容易操控的特征,它在其应用领域中的使用不断扩大。 富士电机的IGBT模块在进入市场以来,凭借多项技术**实现了更低的损耗以及结构的小型化...

 近年来,为了防止化石燃料枯竭和全球变暖,人们正在追求提高能源利用率和减少二氧化碳排放方面作出了努力。包括了马达驱动等工业应用,开关电源等民生应用,以及电动汽车和铁路、太阳能发电和风力发电等可再生能源应用等,使用功率半导体器件的高效率电力变换装置其适用领域和市场正在急速扩大。在功率半导体器件中,IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块具有高速开关、大功率高效率和容易操控的特征,它在其应用领域中的使用不断扩大。


      富士电机的IGBT模块在进入市场以来,凭借多项技术**实现了更低的损耗以及结构的小型化。这些**在电力变换装置的高效率、小型化、高性价比作出了贡献。然而,IGBT模块尺寸的小型化会导致IGBT模块在高功率密度时,结温升高和可靠性降低。为了进一步实现模块的小型化和高效率,富士电机的第7代IGBT模块「X系列」诞生。


特点1:新的芯片技术

图1 


      图1是第7代X系列的芯片和第6代V系列的芯片的剖面图。由于第7代X系列IGBT采用了极薄的晶元制造技术(更薄的漂移层)和细微的沟槽栅结构,使得导通电压和开关损耗得到进一步降低,从而使得它在损耗方面的表现比我们第六代V系列IGBT有了突飞猛进的进步。除此之外,还优化了场截止层,这能够更好的抑制电压振荡,降低了高温下的漏电流。


特点2:新的封装技术(Tvjop=175°C)


      富士电机的第7代X系列能够在175°C条件下连续工作。这是我们在业界率先达到的标准。为了达到这个标准进行了以下三个方面的改进。


① 高散热陶瓷绝缘基板


图2


      陶瓷绝缘基板对芯片与外壳之间的热阻影响是*大的,第7代IGBT模块进一步减小了绝缘基板的热阻。第7代使用了比Al2O3(氧化铝)更低热阻的AlN(氮化铝)作为绝缘基板。但是,常规AlN材料机械强度低,绝缘基板厚,具有高刚性。如果外壳温度(Tc)升高时,则施加于基板下焊锡的热应力将增加,从而降低可靠性。如图2所示:富士电机开发了更薄的AlN陶瓷基板,并优化陶瓷烧结条件。

图3


      从图3为 Al2O3基板和高散热新AIN基板的热阻比较可以得知,在相同的芯片尺寸上进行比较,新的AlN基板比Al2O3基板热阻降低了45%。


② 高耐热硅凝胶

图4


      要保证模块有高的操作结温,在高温下,硅凝胶的可靠性必须要得到保证。富士电机开发的新硅凝胶在高温环境下放置(215°c,2000小时)没有出现裂纹。图4为环境温度和硅凝胶使用寿命的关系。横轴是环境温度(数值越小,温度越高)、纵轴表示硅凝胶的寿命。在175℃下高耐热硅凝胶的使用寿命比传统的硅凝胶提高了5倍,并且寿命在10年以上。因此,确保了X系列模块在175℃的高温下绝缘性能可以与传统产品在150℃条件下的绝缘性能具有相同的可靠性。


③高强度焊锡的开发和绑定线直径/长度的优化


      为了确保IGBT模块长期可靠性,有必要提高重复热应力的耐受能力(ΔTvj的功率循环耐量)。


      在IGBT模块中,将绝缘陶瓷基板焊接在铜基板上,并且将IGBT/FWD芯片焊接在陶瓷基板上分的铜布线图案上。然后半导体芯片和铜布线图案通过铝绑定线连接构成回路。在电力变换装置运行期间,IGBT模块温度会升高,由于模块内的各种材料(铜、陶瓷、半导体芯片)的膨胀系数不同,所以在接合部位会产生机械应力。在半导体芯片的结温Tvj反复上升下降的使用条件下,会重复施加热应力至芯片上方的绑定线和芯片下方焊接部分,导致劣化。Tvj越高,劣化的进展速度越快。通过优化绑定线的直径和长度、新开发的高强度焊锡,在Tvj,max=150℃、ΔTvj=50℃条件下,第7代是第6代寿命的2倍。


特点3:额定电流的提升和模块的小型化

 


图5


      通过减少损耗、高功率密度和高温工作,可以用同一封装来提升电流额定值。如图5所示,1200系列的EP2封装中,第6代V系列的*大额定电流为50A,而在第7代X系列中,*高额定电流已扩大到75A。该效果可以在不改变的电力变换装置中的壳体尺寸的情况下增加输出功率。

 


图6


      另一方面,扩大IGBT模块的额定电流,也有助于电力变换装置的小型化。在第6代V系列模块中,额定1200V/75A的IGBT模块使用EP3的封装(122mm x 62mm),但在第7代X系列中,可以将相同额定值的IGBT模块装入EP2封装(107.5mm x 45mm)。这个模块的封装面积(安装尺寸)减少了36%。在损耗方面如图6所示,第7代EP2的封装比第6代EP3的封装的损耗减少10%。从而实现了模块的小型化。


      富士电机一直在致力于技术的**,在环境和能源领域做出自己的贡献。

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