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IGBT任务和特性

 绝缘性
电子元器件(半导体模块)中,隔离带电部分和底板的材料,被称作绝缘材料。在大功率半导体元器件中,往往使用陶瓷作为是一种高性能绝缘体的底板。这层很薄的绝缘物质,原则上是聚酰亚胺或环氧树脂,它有比陶瓷绝缘子高得多的热阻。例如IMS的基板(绝缘金属基板,图2.5.11)。IMS 常常被用在低成本/低功耗应用领域中,绝缘材料直接覆盖在绝缘底座上。铜层的表面被贴上薄膜,然后按照设计好的结构图案进行蚀刻。它的优点是成本低廉,可完成精细的布线(用于控制驱动和安全装置的集成)和机械结构的坚固性。非常薄的绝缘层也会带来较高的感应电容。当铜层很薄时,它的散热效果也很小。有时要用额外的金属导热层或者铝质部件代替绝缘层,垫在芯片的下面来改善散热效果。
DCB 基板(直接铜熔接基板)在陶瓷绝缘体占主要位置。它中间是由三氧化二铝材料,两侧镀铜层构成的。在高于1063 度的温度中,使陶瓷表面形成一层薄的氧化铜。与DCB 基板同样重要的还有AMB 基板 (Active Metal Brazing, Aktivlöten,主动金属钎焊基板), 它是用含有含钛钎焊材料,把铜或铝箔焊接在氧化铝或氮化铝(AlN)陶瓷上。在上面的铜层按照要求蚀刻成连接模块的印刷电路板。底面的DCB 陶瓷不是同模块底板焊在一起,就是用设计好的外壳把它紧压在散热板上。
IMS 基板同DCB 基板的比较
陶瓷基板的优势是,它们的热膨胀系数非常接近硅。与此相反,在IMS 基板(绝缘金属基板)上的金属(铜,铝)材料的膨胀系数差别很大,在温度变化时,基板和焊接硅芯片之间(第2.7 章)就会产生应力。连接IGBT 模块后就会加剧这种应力,它就会对隔离材料的绝缘性和耐压性提出更高的要求。绝缘性和耐压性是同很多因素有关系,比如基板厚度,材质和材料的均匀性,同封装外壳及填充物,甚至同芯片的放置都有关系。现在在模块中使用的材料的绝缘电压一般在2.5 kVeff 到 9 kVeff 之间。图2.5.12 显示了目前使用的不同材料在标准基板厚度d 所能达到的最大绝缘电压。
不同材料在标准基板厚度d 所能达到的最大绝缘电压

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