IGBT模块压接技术研究

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摘 要

介绍了igbt模块压接技术的关键技术与难题，提出了IGBT模块压接设计方法，包括功率集成、系统集成、新型功率互连及低阻散热设计。

【关键词】IGBT模块 压接 集成 功率互连 散热

1 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是电力电子系统的核心部件，具备独立的电能转换功能。新能源、轨道交通、智能电网等战略产业的发展推动了IGBT模块技术的更迭，从简单的分离式单元到高度集成的IGBT模块，创新的概念与颠覆性的产品纷纷涌入市场，对IGBT模块提出了小型化、模块化、高功率密度的要求。本文所述压接技术，旨在实现电气功率端子与大功率半导体芯片的压力接触而非焊接，成为IGBT模块小型化、高功率密度的一种有效解决方案。

现有文献[1-2]在电力电子集成技术方面开展了一定的工作，但针对IGBT模块的压接封装的技术研究较为少见。本文选取IGBT模块压接技术为研究对象，阐述了其关键技术与设计方法，为工程实际提供指导意义。

2 关键技术

普通的IGBT模块采用电气功率端子与大功率半导体芯片电路结构焊接的方式连接，能够实现原子级别的紧密电接触，但在长时间工作或环境老化条件下容易造成焊接部分热应力过分集中，导致IGBT模块容易退化失效。而压接技术的优势，在于采用电气功率端子与大功率半导体芯片弹力压接的方式实现耐久性电接触，从而规避热应力积聚。可见，压接是保证IGBT模块功能与性能的关键，需关注以下特性：

2.1 压接力的大小

由于压接式的电接触实现的只是紧密物理接触而非化学性接触，因此在压接部位会存在接触电阻，压接力的大小直接关系到接触电阻的大小。如果产生的接触电阻大，则IGBT模块工作时的功率损耗变大，对散热提高要求的同时也容易引发电弧、电应力等不利局面。

2.2 压接力的一致性

压接力如果分布不一致，则不同部位的大功率半导体芯片与其下方的散热结构连接紧密性不一致，造成散热条件差异较大，使得热损耗集中在散热不好的芯片处，引发芯片短寿命。

为保证压接力大小适中及均衡，本文提出系列压接设计的方法，包括功率集成、系统集成、新型功率互连与低阻散热设计。

3 压接设计方法

3.1 功率集成

所述功率集成，是针对IGBT模块在系统电路拓扑中的组合方式而言。先进的功率集成技术，催生出二合一、六合一、七合一等封装形式的IGBT模块，达到用少量功率半导体芯片就等完成同等功能的效果，提供模块可靠性。

为此，在实际设计过程中，可以将电流检测单元、温度检测单元、电源等功能单元一起集成在IGBT模块内部，用以完成复杂的功率控制与过程保护，并且拥有更大的空间进行功率扩展以及功能升级。当然，IGBT模块的功率集成应追求应用与成本之间的平衡。

3.2 系统集成

所述系统集成，用以描述各个功率半导体芯片在结构上的关联性布局，旨在提供低寄生电感、轻噪声、小回路的电气信号传输路径。美国电力电子系统研究中心对半导体系统集成的基础研究已深入覆盖材料、机械、电气等多门学科，充分证实IGBT模块的电磁热一体化设计趋势。

作为电能变换的载体，IGBT模块接收来自上层控制系统的开关驱动指令，同时需要将自身运行状态进行实时的反馈。因此，低寄生电感、轻噪声、小回路的电气信号传输路径，表现为驱动保护电路与电源等直接融入IGBT模块内部的集成封装结构中。如此驱动保护电路与电源在IGBT模块内部的集成，可以将复杂的电路集成工作转移至PCB电路板，有利于缩短开发周期，增强批量化印制电路的质量稳定性。

3.3 新型功率互连

功率互连是压接技术的核心与难点，其技术水平直接影响IGBT模块的电能变换质量与可靠性。新型功率互连的目标，在于减少冗余功率端子，加强电气连接的可靠性。如，采用压接技术，可构成灵活且通用的相模块，消除焊接引入的寄生参数，有利于获得高效的电能传递效果，同时，因材料热膨胀引起的热应力可以通过压接的电气功率端子得到释放。

以新型功率互连为原型的IGBT模块，具备良好的可拆装性与互换性，可以延伸至PEBB（Power Electronic Building Block，简称电力电子积木）模式的模块化设计，其特征在于，IGBT模块设计过程中可能遇到的电路、材料、机械、电学、热学等难题被集中压缩在封装内部解决。

3.4 低阻散热设计

IGBT模块的集成化，意味着寻求更先进的手段来保证高功率密度、小型化空间内的能量损失能以更加快捷、高效、低阻的方式得到耗散。低阻散热设计的目标，是设计热阻尽可能低的热流路径，实现IGBT快速冷却或温升可控。实践表明，采用无基板的压接技术，可降低30%左右的热阻。采用压接技术与无基板技术融合，再重点关注压接力的均匀性，则可望使IGBT的封装散热达到更好的效果。

4 结语

IGBT模块压接技术符合小型化、轻量化、模块化、高功率密度等技术趋势的发展和市场要求。通过保证压接力的均衡性，结合功率集成、系统集成、新型功率互连及低阻散热设计等设计方法，可以设计出符合现代电力电子集成要求的IGBT模块。

参考文献

[1]蒋云富，黄南，袁勇等.集成式IGBT功率组件的现状及发展趋势[J].大功率变了技术，2015（03）：1-6.

[2]张明.现代电力电子集成技术综述[J].大功率变流技术，20161（01）：1-7.

作者单位

1.新型功率半导体器件国家重点实验室 湖南省株洲市 412001

2.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南省株洲市 412001