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Takuya Takahashi*, Yoshitaka Kimura*, Hidetoshi Ishibashi*, Hiroshi Yoshida*, Yoshitaka Otsubo*

【三菱電機(jī)功率器件制作所】

在電力電子應(yīng)用中，用于功率變換的功率器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸如電機(jī)控制、風(fēng)力發(fā)電和UPS等各種領(lǐng)域。近年來，為應(yīng)對(duì)電力電子系統(tǒng)對(duì)空間和重量的要求，功率模塊小型化的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展[1]。由于功率模塊小型化過程中功率芯片的電流密度會(huì)增加，因此需要提高模塊的導(dǎo)熱性能。此外，隨著功率器件工作電壓的提高，用于散熱與絕緣的絕緣散結(jié)構(gòu)起著重要的作用。

為了滿足上述要求，IMB已經(jīng)被引入功率模塊的設(shè)計(jì)中[1]。 然而，如果將傳統(tǒng)IMB用于1700V功率模塊中，則需增加其樹脂絕緣層的厚度，從而使其熱阻變得很大。為此，三菱電機(jī)開發(fā)了一種具有高導(dǎo)熱性和高絕緣性能的新型IMB，并將其應(yīng)用在三菱電機(jī)第7代1700VIGBT模塊和IPM中。

功率模塊的絕緣結(jié)構(gòu)中通常會(huì)采用Al₂O₃作為襯底材料，而我們采用了高導(dǎo)熱性的氮化鋁（AlN）作為襯底，其熱阻比Al₂O₃襯底小35％，如圖1所示。然而進(jìn)一步提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常困難，而且陶瓷和金屬間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配會(huì)導(dǎo)致兩種材料間的表面產(chǎn)生應(yīng)力。材料的具體CTE如表1所示。因此，具有更低熱阻的薄陶瓷可能會(huì)因熱應(yīng)力遭受損傷。

另一方面，IMB結(jié)構(gòu)具有陶瓷基板所不具有的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)IMB中樹脂絕緣層的CTE設(shè)計(jì)得與金屬的CTE相近，從而CTE不匹配所導(dǎo)致的應(yīng)力將大幅降低。因此，樹脂絕緣層可以比陶瓷基板的厚度更薄，而IMB中的金屬層可以更厚。而厚金屬層可以取代底板，從而可以去除基板下方的焊接層，這樣可改善熱阻和熱循環(huán)性能[3]。 此外，由于樹脂絕緣層的柔韌性更好，IMB尺寸也可以比陶瓷基板更大，所以可以通過去除基板之間的綁定連線并消除布線敷銅來實(shí)現(xiàn)更高的安裝密度。

此外，IMB的熱傳導(dǎo)路徑取決于樹脂絕緣層中陶瓷微粒的傳導(dǎo)，因此，與陶瓷基板相比，其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低。為了使IMB滿足1700V模塊所要求的高絕緣電壓，樹脂絕緣層的厚度要比1200V模塊的更厚。此時(shí)需改善樹脂絕緣層的導(dǎo)熱性能并降低模塊的熱阻。

為了提高樹脂絕緣層的導(dǎo)熱性能，需要增加熱傳導(dǎo)路徑的面積、提高陶瓷微粒的比例或者提高樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)。特別是在增加陶瓷微粒數(shù)量而減少樹脂含量時(shí)，為消除氣泡所需的壓力會(huì)由于流動(dòng)性的降低而增加。如果粉末體積濃度超過臨界粉末體積濃度，由于顆粒之間留有氣泡，則會(huì)導(dǎo)致介電擊穿電壓和導(dǎo)熱系數(shù)的降低。因此，我們優(yōu)化了粉末微粒和樹脂材料及其比例分配，以減少氣泡并在壓注行程絕緣片時(shí)保持高流動(dòng)性和適當(dāng)壓力。這樣可以有效地消除空洞，并增加樹脂絕緣層中的微粒填充，從而提高導(dǎo)熱性能和耐壓特性。

如圖2所示，樹脂絕緣層熱阻的測(cè)量結(jié)果取決于IMB中該層的厚度。與傳統(tǒng)的IMB相比，這一層的熱阻改善了約35％，也意味著其導(dǎo)熱性能提升了50％。新型IMB的局部放電起始電壓（PDIV）與傳統(tǒng)IMB有著幾乎相同的厚度依賴性。三菱電機(jī)所提出的新型IMB已經(jīng)被證實(shí)具有與傳統(tǒng)IMB相同的PDIV特性，同時(shí)提高了導(dǎo)熱性能。

如上所述，所提出的新型IMB具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和絕緣性能，因此其可以應(yīng)用于傳統(tǒng)IMB所無法實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合中，如需要至少4000V高絕緣耐壓的1700V IGBT模塊?？梢酝ㄟ^增加用于第7代1700V IGBT模塊的新型IMB樹脂絕緣層厚度來滿足模塊對(duì)絕緣耐壓的要求。通過增強(qiáng)新型IMB的相關(guān)特性，可以在滿足絕緣耐壓要求的同時(shí)具有與傳統(tǒng)IMB相同的熱阻。

另一方面，用于具有額定電壓650~1200V IPM的新型IMB則是通過另一種方式進(jìn)行優(yōu)化。 由于IPM經(jīng)常在諸如伺服驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)堵轉(zhuǎn)等惡劣條件下工作，因此要求IPM的封裝具有很高的導(dǎo)熱特性。因此，用于第7代IPM的新型IMB專門采用了低熱阻設(shè)計(jì)。表2給出了新型IMB和傳統(tǒng)IMB的特性比較。通過評(píng)價(jià)驗(yàn)證，1700V等級(jí)的新型IMB的熱阻比傳統(tǒng)IMB優(yōu)化了大約5％。然而，仿真結(jié)果表明，用于650~1200V IPM的新型IMB比傳統(tǒng)IMB改善了20％。圖3給出了采用新型IMB的1700VIGBT模塊和1200V IPM的外觀圖。

此外，通過采用優(yōu)化特性的第7代 IGBT和新的RFC二極管[2，4]，減少了模塊本身的損耗。與傳統(tǒng)1700VIGBT模塊相比，采用RFC二極管能夠抑制二極管的剛性關(guān)斷帶來的振蕩。因此，第7代芯片和新型 IMB結(jié)構(gòu)相結(jié)合使模塊的電流密度得到大幅提高，進(jìn)而使 IGBT 模塊和 IPM 的尺寸變得更小。如圖 3 所示，與采用傳統(tǒng)陶瓷襯底結(jié)構(gòu)的同規(guī)格模塊的相比，采用新型IMB的1700V IGBT和IPM的尺寸分別減少了49%和55%。新型 IMB與被稱為SLC技術(shù)的樹脂直接灌封工藝相結(jié)合，能夠抑制綁定線與硅片間的機(jī)械應(yīng)力，從而提高了模塊的功率循環(huán)次數(shù)[3]。采用SLC技術(shù)的模塊剖面圖如圖4所示。此外，由于焊接層的減少，新型 IMB的熱循環(huán)能力也優(yōu)于陶瓷基板。由上可知，新型IMB非常適合相關(guān)的應(yīng)用。

三菱電機(jī)開發(fā)了兼顧高絕緣性能與高導(dǎo)熱系數(shù)的新型 IMB。這是通過優(yōu)化IMB中絕緣樹脂層來實(shí)現(xiàn)的，包括增加陶瓷微粒比例、優(yōu)化粉末顆粒和樹脂材料及其比例分配，以及控制絕緣層壓注成型時(shí)壓力。新型IMB中樹脂絕緣層的導(dǎo)熱性能相比傳統(tǒng)IMB優(yōu)化了約 50%。因此，新型IMB不僅能夠適用于更高絕緣耐壓要求的第7代1700V IGBT模塊和更低熱阻要求的IPM，而且與第7代IGBT芯片和二極管芯片組合后，將模塊的封裝尺寸大幅減小了高達(dá)55%。 此外，將新型IMB與樹脂直接灌封工藝相結(jié)合，提升了模塊的可靠性。綜上所述，這種新型IMB可以廣泛地用于功率模塊中，并有助于電力電子技術(shù)的發(fā)展。

[1] K.Ohara et. al., “A New IGBT Module with InsulatedMetal Baseplate (IMB) and 7th
Generation Chips”, PCIM Nuremberg (2015)

[2] M.Miyazawa et. al., “7th Generation IGBT Module forIndustrial Applications”, PCIM Nuremberg (2014)

[3] Thomas Radke et. al., “ More Power and Higher Reliabilityby 7th Gen. IGBT Module with New SLC-Technology”, Bodo’s Power Systems (2015)

[4] F.Masuoka et. al., “Great Impact of RFC Technology onFast Recovery Diode towards 600V for Low Loss and High Dynamic Ruggedness”,Proc. ISPSD 2012, Bruges, Belgium（2012）