igbt主要材料及参数介绍

　　IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

　　如下图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

　　

　　IGBT结构图

　　IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

　　IGBT模块的材料参数

　　目前，功率器件和模块均采用引线键合的互连工艺和平面封装结构。图1为普通IGBT模块的解剖图。

　　

　　图1 IGBT模块结构示意图

　　从上图本文可以看出，IGBT模块共由7层结构构成，大致可以分成三部分：芯片，DBC和基板。每部分之间由焊锡连接而成。本文知道IGBT是在晶闸管的基础上发展而来，但与传统的晶闸管相比，IGBT模块省去了内部的阴极和阳极金属层，分别由芯片表面引出的焊线及DBC上层铜板代替。除此之外，原先的镍金属缓冲层也被去掉了，其代价是单个IGBT芯片的容量减少。为了弥补这一缺陷，本文需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片［8］。

　　IGBT模块是由不同的材料层构成，如金属，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶。他们的热膨胀系数以及热导率存在很大的差异，在器件的工作过程中会出现意想不到的问题。

　　物理上，热导率代表了物体导热性能的大小。在IGBT模块中，涉及到的材料，其热导率绘成柱形图如下：

　　

　　图2材料导热系数柱形图

　　热膨胀系数（coefficient of thermal expansion， CTE）是指物体在单位温度下体积的变化，其国际单位为K-1。对于IGBT这种具有堆叠结构的功率器件，它在正常工作下温度很高，因此不同的材料也会因热胀冷缩原理产生不同程度的形变，进而影响器件的可靠性。图3绘出出了模块内几种材料的热膨胀系数。

　　

　　图3材料的热膨胀系数

　　有机材料的引入可以使接合线不被腐蚀，还有较高的击穿场强，然而，它在模块内部形成的有机薄膜会产生较大的寄生电容，进而影响器件的部分性能。

　　除了材料的选择，事实上，IGBT模块内部每层材料的厚度也有其规范。传统的IGBT模块里，陶瓷的主要成分为Al2O3，基板采用铜材料;在高压IGBT模块里，DBC内的陶瓷被AlN所取代;后期，高压IGBT模块又有所改进，主要变化在于使用碳化硅铝取代原先的铜基板。

　　表1 不同IGBT模块各层材料的厚度 单位：mm

　　

　　当然，在特定的场合，所需的IGBT模块内部材料厚度也不尽相同。比方说，原先的DBC陶瓷厚度为0.63mm，但为了减少器件的热阻，后来的设计尺寸为0.38mm；再有对于一些需要承受更大高压的IGBT模块，它内部氮化铝陶瓷的厚度达到1mm。