1 引言
在一些應用中為了減少引線和基板之間的熱應力，提高可靠性，基板安裝的igbts被降額使用。為了克服在第三部分研究中提出的基板安裝器件的可靠性問題[7-10] 許多功率半導體制造廠[1-6]提出了壓裝igbts。但大多數設計中柵極引出仍采用引線鍵合方法。
圖1 400a器件的外形圖
圖2 1400a器件的外形圖
為了高可靠性的應用場合, 滿足工業標準外形[圖1, 圖2]的一類新型無焊壓裝igbts被研制出來。這些器件提供的額定電流在額定電壓為1800v時為400a和1400a[11-12]。在此封裝中集成了一個反并聯二極管。
額定電流為400a器件的機械結構和設計先前已經有詳細的描述[6]，但為讀者清楚起見，正文的隨后部分將扼要地略述這部分內容。
2 機械結構
壓裝器件的基本概念在圖3到圖5中進行了圖解。這些器件沒有用引線鍵合和焊接接頭(即完全壓力結合)。單獨的各個芯片被裝配在公共的底板上，以便在最后封裝前可以進行所有參數的先期實驗。裝配方法在400a和1400a的器件上是同樣的。圖3描述了裝有單個芯片的安裝芯片的底板。圖4描繪了僅有盒子/定位件插入的1400a器件，在圖5中描繪了既有芯片/鉬定位結構和在適當的位置上的發射極鉬層。實際上，圖3中的所有部件在封裝之前被裝配好的。
圖3 單芯片底板
圖4 盒子/定位件插入的1400a器件
圖5 帶有芯片/鉬層發射極有鉬定位結構的400a器件
圖6 平面門分布系統
用彈簧接觸插腳得到柵極接點同時通過它連接到外部的柵極接線端，通過一個平面門裝配如圖6[6](專利)。此平面門分布系統確保了各個igbt芯片柵極之間的非常低的阻抗通路。此結構包含了集成在一個新芯片設計中的非獨立的一系列柵極電阻。
3 電氣特性
對這兩種器件的電氣特性進行了評估[11-12]，發現和相當定額的基板安裝器件有相當的電氣特性。表1和表2分別給出了igbt和反并聯二極管的基本電氣特性的概要。
表1 125℃時，igbt的基本電氣特性
*額定集電極電流 **額定夾緊力
表2 125℃時，反并聯二極管的基本電氣特性
*額定集電極電流 **額定夾緊力
從圖7到圖9用曲線的方式描述了器件的部分特性。圖7包括400a和1400a兩種器件的飽和特性。圖8和圖9繪出了400a器件的開關損耗，1400a器件的損耗可以假定損耗和電流成比例而得到。從這些曲線中，可以看出列出的特性和相當定額的基板安裝器件的特性很類似。
圖7 飽和電壓
圖8 開通損耗
圖9 關斷損耗
圖10 開關波形
圖10中給出了400a器件的典型開關波形。這些波形是針對脈寬為15μs幅值為400a的器件。該器件接入在900v的線電壓并接有0.1μf/2w緩沖器。在圖10中的比例為:集電極電流(ic)為100a/每格，集電極和發射極間電壓(vce)為200v/每格，時間是5μs/每格。在圖10中也包含有正向和反向柵極電流，以上面算起的第二根柵格線為對稱軸，為5a/每格。用于產生波形的柵極驅動電路工作在正負15v，正向門電阻為3.3ω,反向門電阻為4.7ω。
圖11 可能的工作頻率
這些器件的最大工作頻率還正在研究，基于400a器件的測量特性通過近似計算，圖11給出了可能的工作頻率范圍。做了些通態損耗和開關損耗之間的折中假設，并且假定最大結溫為150℃。1400a器件的工作頻率按比例來預測得到。
圖11給出了典型的電壓反饋系統在硬開關條件下預測的工作頻率。在諧振電路中，這些器件的工作頻率在給定的電壓和電流條件下有可能達到十分高的工作頻率，比如在大多數感應加熱的應用場合。
圖12 基板安裝器件的分布電感
圖13 壓裝器件的分布電感
在圖12和圖13中分別圖示了基板安裝器件和無焊壓裝器件的分布電感。工作在關斷期間的獨自的芯片的瞬態電壓分布是不同的。與無焊壓裝器件中的芯片串聯的共模電感的減少，確保了在每個芯片上的瞬態電壓非常小。這就有可能對這些器件的電壓額定進行優化。在5個芯片構成的400a的igbt中發現極面間的電感小于8nh,如果用等值電感來表述，每個芯片的電感為40nh。對于類似定額的6芯片的器件如果端部間的電感為20nh，如果所有路徑都相等的話，則每個芯片的電感為120nh。對這些例子進行簡單的計算，此模塊的瞬態過電壓為80v，而在壓裝器件中瞬態過電壓僅為32v[6]。
目前對電感做了相等分布的假設, 然而在作者對實際模塊的測試中很明顯并非如此。如果假設差別為30%則在成對器件的6芯片模塊中相應的等效電感為128nh±38.5nh，相應地芯片的過電壓為: 最小60v，最大111v。
通過這個簡單例子, 可知每個芯片的電感的不同，將產生重要影響。感應通路的差別程度將可能增加器件的額定電流，使器件使用更多的芯片，然而在壓裝器件中每個芯片保持相同的有效路徑，相應地減少了過電壓。
這些差別的影響程度最終決定于應用的場合和模塊設計上的有無缺陷。然而壓裝器件設計中的固有減少過電壓的能力可用于針對電壓額定的芯片進行優化設計，針對設計電壓只需留有較小的安全余量。
對電感的相同觀點也應用到反并聯的二極管中，由于考慮到在它們和igbt芯片之間的只有很小的感應通路，沒有使用相對高電感的引線接合，從而保證了它們在igbt芯片反向導通期間對igbt芯片的有效箝位。
圖14 400a器件的瞬態熱阻(仿真結果)(10k/n)
圖15 1400a器件的瞬態熱阻(仿真結果)(10k/n)
圖16 熱阻和壓緊力的關系
對無焊壓裝器件的熱特性進行了廣泛的評估，發現它們和相當定額的基板安裝器件有相當大的不同。研究表明雙面冷卻的壓裝器件的穩態電阻不亞于相當額定的基板安裝器件，然而由于極件熱質的增加，迅速提高了器件的瞬態熱性能。在圖14和15中分別是400a和1400a器件的典型的瞬態熱阻曲線。壓裝器件的熱阻可以表示為緊壓力的函數，400a器件的熱阻和緊壓力的關系見圖16。
利用高緊壓力提高改進熱阻性能受到預期的熱循環(應力)的限制。在額定緊壓力的條件下, 該器件在δt>900℃, 循環次數>105的條件下, 可達到的最大工作溫度為1500℃。在圖17中給出了預估的壓裝器件的熱循環性能并和公布的基板安裝器件的典型性能相比較。器件的熱性能不受封裝材料的限制。
圖17 熱循環性能
注:在寫本文時，器件的熱循環實驗正在進行，沒有觀察到器件的失效。
對本文前面的器件的電氣和熱特性敘述的補充，在一些應用場合中壓裝器件還有些其它可利用的方面。特別是器件所固有的短路失效特性，當需要器件串聯使用時，在設計時可以看成一個優勢，而不象基板安裝器件那樣[13]。當應用在多灰塵和荒涼的環境或要求沉浸在油中進行冷卻時，要求封裝保證完全密封。為了在已有的裝配線上只需進行最少的機械上的重新設計和慮及非常緊湊的水冷系統，工業上的標準封裝允許被替代為別的器件的封裝。在一些應用中，當igbt壓裝器件不必要被替換時，電路只需要最少的電路重新設計。
通常，輔助的電路元件如緩沖電路的需求對壓裝 igbt是最小的，在小功率應用場合，控制門觸發器很簡單。在使用傳統的快速晶閘管或可關斷晶閘管的以前的系統中應用壓裝 igbt將整個功率電路顯著地簡化，同時使體積和成本減少。
4 結束語
對一類新型的密封封裝的無焊壓裝igbts的機械設計進行了略述，相對基板安裝器件來說該器件將提供潛在可靠性。
對此類器件的電氣特性進行了略述和論證，它們的電氣特性不亞于相當額定的基板安裝器件。
對此類器件的電熱特性進行了討論，并且提供了實驗數據，表明此類器件有更好的瞬態熱性能和熱循環能力。
可以得出結論:在要求高可靠性和性能優良的一些應用場合，此類新器件比傳統的基板安裝器件更具優勢。
5 致謝
著者要對r.irons, m.evans 和k.billett表示致謝，感謝他們在開發此類新器件中所做的工作。
參考文獻
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：南京塞姆泵業有限公司
