目前，功率器件和模塊主要采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結構。圖1為普通IGBT模塊的結構示意圖。

從上圖可以看出，IGBT模塊共由7層結構構成，大致可以分成三部分：芯片、DBC和散熱基板。每部分之間由焊錫連接而成。IGBT是在晶閘管的基礎上發展而來，但與傳統的晶閘管相比，IGBT模塊省去了內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，需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片。

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

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

圖2 材料導熱系數柱形圖

熱膨脹系數(coefficient of thermal expansion, 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這種具有堆疊結構的功率器件，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繪出出了模塊內幾種材料的熱膨脹系數。

圖3 材料的熱膨脹系數

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，它在模塊內部形成的有機薄膜會產生較大的寄生電容，進而影響器件的部分性能。

除了材料的選擇，事實上，IGBT模塊內部每層材料的厚度也有其規范。傳統的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內的陶瓷采用AlN，或采用可靠性更高的AMB ?Si3N4/AlN陶瓷基板；高壓IGBT模塊又有所改進，使用碳化硅鋁替代原先的銅基板。

表1 不同IGBT模塊各層材料的厚度 : ?單位:mm

當然，在特定的場合，所需的IGBT模塊內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，它內部氮化鋁陶瓷的厚度達到1mm。

編輯：黃飛

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