IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的CpU，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、特種航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

如下圖所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的p型區(qū)（包括p+和p-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannelregion）。而在漏區(qū)另一側(cè)的p+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Draininjector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成pNp雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

IGBT結(jié)構(gòu)圖

IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給pNp（原來為NpN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從p+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

IGBT模塊的材料參數(shù)

目前，功率器件和模塊均采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結(jié)構(gòu)。圖1為普通IGBT模塊的解剖圖。

圖1IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖

從上圖本文可以看出，IGBT模塊共由7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，大致可以分成三部分：芯片，DBC和基板。每部分之間由焊錫連接而成。本文知道IGBT是在晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但與傳統(tǒng)的晶閘管相比，IGBT模塊省去了內(nèi)部的陰極和陽極金屬層，分別由芯片表面引出的焊線及DBC上層銅板代替。除此之外，原先的鎳金屬緩沖層也被去掉了，其代價是單個IGBT芯片的容量減少。為了彌補這一缺陷，本文需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片［8］。

IGBT模塊是由不同的材料層構(gòu)成，如金屬，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內(nèi)部用來改善器件相關(guān)熱性能的硅膠。他們的熱膨脹系數(shù)以及熱導(dǎo)率存在很大的差異，在器件的工作過程中會出現(xiàn)意想不到的問題。

物理上，熱導(dǎo)率代表了物體導(dǎo)熱性能的大小。在IGBT模塊中，涉及到的材料，其熱導(dǎo)率繪成柱形圖如下：

圖2材料導(dǎo)熱系數(shù)柱形圖

熱膨脹系數(shù)（coefficientofthermalexpansion，CTE）是指物體在單位溫度下體積的變化，其國際單位為K-1。對于IGBT這種具有堆疊結(jié)構(gòu)的功率器件，它在正常工作下溫度很高，因此不同的材料也會因熱脹冷縮原理產(chǎn)生不同程度的形變，進而影響器件的可靠性。圖3繪出出了模塊內(nèi)幾種材料的熱膨脹系數(shù)。

圖3材料的熱膨脹系數(shù)

有機材料的引入可以使接合線不被腐蝕，還有較高的擊穿場強，然而，它在模塊內(nèi)部形成的有機薄膜會產(chǎn)生較大的寄生電容，進而影響器件的部分性能。

除了材料的選擇，事實上，IGBT模塊內(nèi)部每層材料的厚度也有其規(guī)范。傳統(tǒng)的IGBT模塊里，陶瓷的主要成分為Al2O3，基板采用銅材料;在高壓IGBT模塊里，DBC內(nèi)的陶瓷被AlN所取代;后期，高壓IGBT模塊又有所改進，主要變化在于使用碳化硅鋁取代原先的銅基板。

表1不同IGBT模塊各層材料的厚度單位：mm

當(dāng)然，在特定的場合，所需的IGBT模塊內(nèi)部材料厚度也不盡相同。比方說，原先的DBC陶瓷厚度為0.63mm，但為了減少器件的熱阻，后來的設(shè)計尺寸為0.38mm；再有對于一些需要承受更大高壓的IGBT模塊，它內(nèi)部氮化鋁陶瓷的厚度達(dá)到1mm。

技術(shù)專區(qū)CoolSETTM家族：全新固定頻率pWM控制器和集成功率IC帶來高性能和先進鐵氧體材料和特殊幾何形狀助力提升電源性能和效率慕展上，世強帶來的SiC、GaN、三電平讓你的效率直達(dá)最high點Bourns滿足綠色環(huán)保技術(shù)趨勢，推出新型超低鉛含量厚膜貼片電阻最新專用USB-C控制器芯片：簡化設(shè)計的高集成度、降低BoM成本并