富士电机能够保证175℃连续运行的IGBT模块封装技术

为满足变频器小型化和降低成本的需求，IGBT 模块对高功率密度化的要求将比过去更高。富士电机新开发的铝线、焊锡和表面电极保护膜，将IGBT 模块的连续运行温度从过去的150℃提高到175℃，实现了高功率密度化。功率循环寿命与过去相比，所有的温度区域都达到了2 倍以上。如此一来通用变频器的最大输出便有望提高约20%。

引言

通用变频器由于能对节能做出巨大贡献，因此在工业领域中得到普及，其需求正在不断扩大。通用变频器除节能化和小型化外，降低包含系统开发在内总成本的市场需求也很强烈。

富士电机为满足这些市场需求，针对通用变频器搭载的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块的主要构成要素IGBT 芯片，不断的进行降低损耗和小型化的改进。IGBT 模块“V 系列”将“U 系列”的运行温度提高了25 ℃，通过保证150 ℃下的连续运行来实现IGBT 模块的高功率密度化，为整个变频器系统的小型化和降低成本做出了巨大贡献。额定条件（1200 V/50 A）下IGBT 芯片面积的变化趋势如图1 所示。由于针对IGBT 芯片损耗的改善已接近极限，为了进一步实现IGBT 模块的小型化和高功率密度化，我们对进一步提高运行温度的上限进行了讨论。通过计算得知将运行温度的上限从过去的150 ℃提高到175 ℃时，可使通用变频器输出提高约20%。本文将针对在175 ℃连续运行下实现高可靠性的IGBT 模块封装技术进行介绍。

图1　IGBT 芯片面积的变化趋势（1200V/50A）

保证175 ℃连续运行的技术课题

在保证175 ℃连续运行方面，功率循环寿命是重要因素之一。由于最高使用温度从过去的150 ℃提高了25 ℃，施加于构成材料的热应力将比过去增加。同时，运行和停止造成的温度变化更加剧烈，热疲劳将高于过去，需要保证对该热疲劳的耐性。

保持最高使用温度T jmax 不变的情况下，累积失效率为1% 时的传统模块功率循环寿命如图2 所示。将T jmax 从150 ℃提高到175 ℃后，寿命约降低30 ～ 50%。因此实现高可靠性封装，使得在最高使用温度提高到175 ℃后，依旧保证与过去150 ℃相同的功率循环寿命，将是必不可少的过程。

一般情况下，在功率循环测试中的IGBT 模块损坏，是由于温度变化在线膨胀系数不同的构成材料间产生的覆变应力而造成的。在175 ℃连续运行时，不仅要考虑该覆变应力，还要考虑温度上升25 ℃对构成材料金相组织变化所带来的影响。需要考虑的构成材料包括焊锡和铝。我们从这些角度出发，对175 ℃连续运行时功率循环测试中的损坏部位进行了观察。