什么是压接型IGBT？它在形状上与晶闸管等器件类似，但是内部通过并联浩瀚被称为“子单元”的部件来实现功率容量，芯片与电极之间的电气连接时，不采纳常规引线或焊接的办法，而是通过压力实现。“在此根本上，我们还加入了大尺寸U形元胞压接型芯片、基于低温纳米银烧结的芯片强化、大面积方形陶瓷管壳并联均流封装等多项核心技能。”半导体奇迹部IGBT模块产品主管窦泽春先容，如此一来，打破了芯片大规模并联压接封装中的压力均衡及电流均衡的技能难题，实现了器件特性与可靠性的双重提升。
一、压接型IGBT的封装构造
为办理高功率密度下 IGBT 功率模块散热问题，1993 年日本富士公司提出 u-stack 封装，经由多年的发展，形成了弹簧式和直接打仗式两种压接封装。直接压接封装是通过两个钼片将芯片的发射极和集电极引出，栅极通过一个小探针引 出。因此，直接压接封装具有双面散热通道，但由于各部件间均为刚性连接，构造和材料更易疲倦。弹簧压接封装则是通过蝶形弹簧和栅极连接板将发射极和栅极引出。这种封装减少了栅射极的热通路截面积，因此散热能力比直接压接型封装弱，而由于弹簧的存在，压力均衡性更优，材料不易受损。
与焊接型封装比较，压接型封装具有寄生电感低和失落效短路的优点，但由于循环热应力和多层构造 CTE 不匹配，会产生微动磨丢失效、打仗面烧蚀失落效、弹簧失落效和栅极氧化层失落效征象。对付多芯片集联的 IGBT 功率模块，各个 IGBT 功率模块所处的热、机器和电磁环境差异性会导致模块内部热和电飘泊布不屈衡，从而使横向构造中一些位置更随意马虎失落效。
二、压接型IGBT的上风特点
压接型IGBT的设计理念来源于常规晶闸管、IGCT等器件，它将个中的整晶圆管芯改换成多个IGBT或FRD芯片，并通过压力分别链接到高下电极。压接型IGBT在形状上与晶闸管等器件类似，但是内部通过并联浩瀚被称为“子单元”的部件来实现功率容量，芯片与电极之间的电气连接时，不采纳常规引线或焊接的办法，而是通过压力实现。
焊接型IGBT器件通过键合线使内部芯片与外部电极形成电气连接，其生产本钱较低，是目前运用最广泛的IGBT器件，但因其存在功率密度不敷、焊料层脱落、键合线断裂、单面散热等问题，难以知足高功率等级的需求。
压接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通过施加压力，使内部芯片与外部电极形成电气连接，可实现多芯片并联压接封装。比较焊接型IGBT器件，压接型IGBT器件易于规模化芯片并联封装、串联利用，且具有低热阻、双面散热、失落效短路等优点。
三、压接型IGBT器件封装构造
压接型IGBT器件根据内部芯片数量可分为压接单芯片器件与压接多芯片器件，根据封装构造紧张可分为刚性压接器件与弹性压接器件。
刚性压接器件紧张构造由集电极铜板、集电极钼片、IGBT芯片、发射极钼片、银垫片、门极顶针、支架、门极PCB、凸台、发射极铜板和外壳构成，个中钼片作为缓冲层以减小热应力对芯片的冲击，门极顶针连接芯片门极区和门极PCB以通报驱动旗子暗记，银垫片用于缓解芯片间压力分配不均问题，集电极与发射极铜板外表面均可安装散热装置实现双面散热。器件事情时须要通过夹具施加一定压力以减小打仗电阻与打仗热阻，进而担保各层封装材料间的良好打仗。同时，为了使多芯片间电-热-力分布均匀，须要对内部各种封装材料进行精准匹配，构件进行精密加工，因此刚性压接器件普遍对工艺精度哀求较高。刚性压接器件紧张由WESTCODE、TOSHIBA等公司生产，海内里车时期电气、环球能源互联网研究院等企业也开展了自主设计与制造。
弹性压接器件通过引入碟簧来补偿加压过程中的压力不敷并接管材料热膨胀过程中的过应力，紧张构造由发射极垫片、碟簧、银/铝垫片、钼片、焊有芯片的集电极板、门极引线板和铜盖板构成。比较刚性压接器件，弹性压接器件降落了工艺精度哀求，制造本钱较低，同时担保了芯片表面压力均匀性，但芯片与集电极板通过焊料连接，在长期功率循环过程中存在焊料层脱落失落效问题，且碟簧构造的引入导致其散热模式为单面散热，限定了其在更高功率场合的运用。弹性压接IGBT器件生产商紧张有ABB公司。
为提高压接器件中芯片与集电极钼层之间的电热打仗性能进而提升器件整体性能，天津大学梅云辉等提出了纳米银烧结压接器件，如图7a所示，该封装构造采取纳米银焊膏将刚性压接器件中集电极钼片与IGBT芯片通过烧结工艺连接成整体，进而降落了打仗热阻与打仗电阻。测试结果表明，纳米银烧结压接器件与刚性压接器件性能同等，但结壳热阻降落15.8%。同时，纳米银烧结封装构造提升了IGBT芯片表面压力分布均匀性，有利于提高器件整体电-热性能及可靠性。
2019年，DYNEX公司提出了一种银烧结-刚性-弹性压接相结合的稠浊压接封装器件，如图7b所示。在该封装构造中，采取碟簧取代刚性压接封装构造中的凸台，并利用纳米银焊膏将IGBT芯片与集电极钼片、发射极钼片连接成整体。该构造可进一步提升IGBT芯片表面压力分布均匀性，但存在单面散热能力较差的问题。
四、压接 IGBT 功率模块封装失落效机理
1、微动磨丢失效
压接封装的电气连接紧张依赖连接层之间的压力，因此在热应力浸染下，各层涌现水平摩擦征象，导致打仗面粗糙度增大，引发电阻和热阻增大，使得温度梯度增大加重摩擦，形成正反馈循环。长期处于这种情形下，会导致压接封装打仗分开，造成器件失落效。
2、打仗面烧蚀失落效
烧蚀是指由于芯片眇小电弧所导致的材料表面涌现溶解损伤的征象。在压接封装中产生这种征象的缘故原由是，界面间涌现不良打仗，导致电场分布不屈衡，终极引起局部放电。
3、弹簧失落效
对付弹簧压接封装，弹簧会随利用时长的增加产生疲倦、应力松弛和磨损的征象。常见的弹簧失落效是栅极打仗弹簧发生应力松弛，从而使得栅极探针与芯片打仗失落良，造成电阻和热阻增大，末了发生失落效。
4、栅氧化层失落效
无论何种封装，IGBT 芯片栅极表面都存在氧化层。由于封装过程中的压力不屈衡或是在功率循环往来来往过程中热应力的浸染，致使探针或钼片挤压栅氧化层而使之损伤。栅氧化层发生损伤后，栅射电阻低落，泄电流上升，导通压降上升，芯片产热进一步加剧，热应力加大，形成正向循。
5、多芯片封装失落效
当压接封装涌现短路时，芯片表面的 Al 层会在高温高压下与 Si 形成铝硅合金并开始与之前的材料互 融。此 时，IGBT 功率模块导通不受栅极掌握。因此，在冗余设计中，压接封装更适宜串联连接。为实现大功率场合下运用，多采取串联集成封装。此时须要严格掌握每单个芯片的厚度工差，使其压力分布均匀。由于集肤效应和附近效应，在边缘和角落的 IGBT 功率模块会承受更大的电流。且模块部分角落的芯片温度高于中央芯片的温度。这种情形的存在会使得封装基板发生翘曲，增加热阻，加剧失落效。在串联情形下，某一芯片的失落效，须要其他未失落效芯片承受更大的电压和电流，使得全体模块更易失落效。
总结一下
IGBT 模块压接技能符合小型化、轻量化、模块化、高功率密度等技能趋势的发展和市场哀求。通过担保压接力的均衡性,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,可以设计出符合当代电力电子集成哀求的 IGBT 模块。
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