摘要：通過對電力半導體模塊結構的介紹，以及對其主要原材料性能的分析，進一步闡述了各主要結構材料對電力半導體模塊性能的影響。

關鍵詞：電力半導體；模塊；質量差異

1 引言

電力半導體模塊是分立半導體器件的進一步發展，它是現代電力電子設備的主要器件。由于它具有體積小，外殼與電極絕緣，可靠性高，安裝方便等優點，因此，在國外得到了廣泛的應用。近十幾年來在我國也迅速地得到推廣應用，并且已有很多廠家引進了制造技術或自行開發。但由于各廠家對模塊的設計和工藝了解程度的不同，導致生產的產品在技術指標和質量上存在很大的差異，特別是國內還存在著模塊電流越做越大的趨勢，嚴重地誤導了用戶的使用，因此，為了確保電力電子設備的性能，有必要對電力半導體模塊的結構進行介紹。

2 電力半導體模塊的結構特點

電力半導體模塊是將多只半導體芯片按一定的電路結構封裝在一起的器件。它具有體積小，外殼與電極絕緣的特點，因此，可以將多只模塊放在同一塊散熱器上，以縮小電力半導體整機的體積。

通常，200A以上的分立式電力半導體器件采用平板式壓接結構，為雙面散熱；200A以下的器件采用螺栓式焊接或壓接結構，為單面散熱。

電力半導體模塊和分立式電力半導體器件一樣，也具有焊接和壓接兩種結構形式，如圖1所示。它與分立式半導體器件所不同的是它的電極與外殼絕緣，并且壓接式模塊也是采用單面散熱。

(a)模塊 (b)螺栓元件 (c)平板元件

圖1 電力半導體器件結構圖

電力半導體器件的熱阻與功耗的關系如式（1），式（2）所示。

R_ja==R_jc＋R_ca=R_jc＋R_cs＋R_sa（1）

P=0.785V_TMI_AV＋0.215V_T0I_AV（2）

式中：R_ja為模塊芯片與環境之間的熱阻；

R_jc為模塊的結殼熱阻；

R_ca為模塊外殼與環境之間的熱阻；

R_cs為模塊外殼與散熱器之間的接觸熱阻；

R_sa為散熱器的熱阻；

T_j為模塊芯片的溫度；

T_a為模塊的使用環境溫度；

P為器件的通態耗散功率；

V_TM為器件的通態峰值壓降；

I_AV為額定通態平均電流；

V_T0為器件的門檻電壓。

由于模塊采用絕緣的陶瓷片和單面散熱結構，增加了熱阻，導致在同等芯片尺寸和同等散熱條件下，模塊的電流容量降低了，因此，對模塊的結構設計和材料選取也另有特殊的要求。

3 模塊常用絕緣材料的的特點及選取

模塊外殼基板與電極絕緣，同時還要利用外殼散熱，因此，要求其基板和電極之間的絕緣材料不但應具有良好的絕緣性能（絕緣電壓≥2500VRMS），而且要具有良好的導熱性能，以及耐高溫（>150℃），并有良好的機械性能，熱膨脹系數，抗壓性能等。常用作組裝模塊用的絕緣材料有，Al₂O₃、BeO、AlN及DCB瓷片等。其性能見表1。

表1 模塊常用絕緣材料及其特點

BeO作為絕緣導熱材料早期廣泛應用于壓接式模塊，是4種材料中熱導率最高的材料，但由于它具有毒性，而且價格較貴，故現在很少采用。

高性能AlN的熱導率接近于BeO，作為取代BeO的優選材料，現廣泛應用于壓接式電力半導體模塊中。

DCB瓷片是通過特殊的工藝將銅箔燒在陶瓷基片上（常用的陶瓷基片材料為Al₂O₃）上。它的特點是熱膨脹系數與硅片接近，利用它制作小電流模塊時可以節省玻璃鈍化芯片的下鉬片，不僅減少了材料，同時還降低了材料的熱阻和接觸熱阻，因此，它廣泛應用于焊接式模塊中。

綜上所述，可用于模塊中的絕緣導熱材料的性能有很大的差異，因此，采用不同的絕緣材料組裝的同一結構的模塊，其熱學性能就會有很大的差異，從而導致允許通過的電流容量不同。所以，為了保證模塊的性能，現在國際上通常在焊接式模塊中采用DCB瓷片，壓接式模塊中采用AlN瓷片作為絕緣導熱材料。

4 芯片的要求

由于模塊化是將多只芯片封裝在一只外殼內，因此要求其性能要盡可能地保持一致。

采用陶瓷片雖然解決了絕緣問題，但其導熱性能不怎么理想，就是導熱性最好的材料BeO的熱導率與銅的熱導率相比也差很多，所以，模塊的熱阻比分立式半導體器件的大很多，而模塊又是采用單面散熱，因此，只能通過增大芯片的面積或降低芯片的功耗來彌補其缺點。這就要求模塊芯片的通態壓降要盡可能的低才能滿足要求。

5 選用模塊需要注意的事項

不同廠家生產的模塊因其設計和工藝的不同，其產品的技術指標會有很大的差別，特別是一些不具備設計能力和檢驗手段的小廠，其生產的模塊的質量更是無法保證，因此，在選用時需要特別注意以下幾點。

1）絕緣材料的選取

由于不同絕緣材料的熱導率有很大的差別，其價格也相差很大，因此，導致不同廠家生產的同一外型結構的模塊，其實際允許通過的電流容量存在很大的差異。

2）芯片的選取

為了保證模塊達到額定電流的容量，首先，要保證芯片的通態壓降；其次，要保證芯片的電流密度，即芯片的直徑。芯片是密封在外殼內的，直徑是無法看到的，只有通過測試通態壓降等參數才能了解芯片的性能。

3）焊接模塊的焊接孔洞

影響焊接模塊質量的主要因素是模塊的焊接質量，特別是焊接孔洞和虛焊的發生，將嚴重影響產品的導熱和導電性能。其產生的主要原因是焊接過程中助焊劑產生的氣泡沒有排出去，殘留在焊接面內，形成孔洞；或者在焊接前對焊接面的清洗不凈，導致虛焊等。

4）模塊基板的形狀與接觸熱阻

模塊的熱量要通過模塊的基板傳導出去，因此，模塊基板與散熱器接觸的好壞，即模塊基板與散熱器的接觸熱阻，直接影響模塊的散熱效果；焊接模塊在生產過程中如果工藝不合理，其模塊的基板通常會產生中間向上凹的現象，因此，當將模塊固定在散熱器上時，模塊的中間部分不能與散熱器和很好接觸，使散熱器不能充分發揮作用，導致模塊無法通過額定電流，通過很小的電流就會燒毀。

5）模塊電流容量的誤區

目前，國外商品化的臂對式晶閘管模塊最大的僅有500A，整流管模塊最大的為700A，而國內模塊有越做越大的趨勢，甚至做到幾千A。從熱學上考慮，由于模塊是單面散熱，若模塊的電流容量做得過大，其消耗的功率必將增大，當模塊的電流容量達到一定的數值時，需要模塊及散熱器的熱阻非常小，這采用常規的散熱方法是無法達到的；特別是對于大電流模塊，用于散熱的基板面積很大，要保證模塊基板的整個平面與散熱器具有良好的接觸單靠模塊的幾個緊固螺栓是很難達到的，如若接觸不良或局部接觸不上，模塊與散熱器的接觸熱阻將增加幾倍或幾十倍以上，模塊電流容量將大大下降。所以，某些模塊雖然標稱幾千A，而在實際應用中是很難達到其標稱額定電流容量的，因此，模塊并不是電流越大越好。