什么是IGBT？如何使用此模塊實(shí)現(xiàn)“雙面水冷”，IGNT未來的發(fā)展趨勢又是如何？

　　什么是IGBT？

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

　　怎樣用IGBT模塊實(shí)現(xiàn)雙面水冷？這項(xiàng)技術(shù)又有何意義？

　　Infineon 的德國團(tuán)隊和美國團(tuán)隊（前IR團(tuán)隊）發(fā)表了兩篇關(guān)于雙面水冷的IGBT模塊的相關(guān)設(shè)計及測試結(jié)果。原文標(biāo)題如下

　　“Dual-sided Cooling for AutomoTIve Inverters – PracTIcal ImplementaTIon with Power Module”

　　從應(yīng)用角度而言，雙面水冷技術(shù)（DSC）的開發(fā)即是基于新能源汽車（純電動及混動）的應(yīng)用考慮，主要為了解決車載逆變器功率密度的問題。圖1給出其基本結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有IGBT模塊，芯片上層的DCB構(gòu)成第二條散熱通道，用于改善模塊的散熱效果。

　　圖2 的樣品照片，模塊的尺寸較小，頂部和底部通過DCB陶瓷基板直接和散熱器接觸，強(qiáng)電和弱電端子分布在芯片的前后兩側(cè)。

　　作為雙面水冷模塊，其塑封材料不同溫度下的機(jī)械一致性首先需要保證，22、150攝氏度下的模塊表面平整度較好，同時防潮性能也比較優(yōu)異。

　　由于增加了模塊頂部的散熱通道，散熱效果剋提升70%，需要注意的是，熱阻值隨表面影響較大，要達(dá)到最佳的熱阻，800N的壓力這條確實(shí)也嚇了筆者一跳。

　　由于去除了傳統(tǒng)設(shè)計中的銅底板，模塊的熱容顯著減小，其熱耦合性能大幅提高，基本只在熱源附近的芯片溫度較高。同時，新的DSC模塊還伴隨著寄生電感和封裝電阻的顯著降低，寄生電感只有13nH。

　　此外，模塊還集成了電流和溫度傳感器，便于實(shí)現(xiàn)芯片電流、溫度的檢測，這條與常規(guī)芯片倒沒有特別的差異。電流檢測基本都在百毫伏范圍內(nèi)。

　　相比德國團(tuán)隊的工作，前IR團(tuán)隊的研究重心則放在了與之配套的水冷散熱的方案實(shí)現(xiàn)和性能測試上。圖4給出了對應(yīng)的水冷散熱器方案。

　　散熱器內(nèi)部還是使用經(jīng)典的Pin-Fin散熱方案，水冷設(shè)計的重點(diǎn)包括流量的均恒，散熱流族 限制下的Pin針形狀和大小的優(yōu)化設(shè)計。基于同樣的總流量假設(shè)，雙面水冷較之單面水冷，熱阻可以減小32%，同時水路壓降跌落也只有其35%。同時，對于雙面散熱，僅增大27.5%的壓力，就能獲得雙倍于單面水冷的總散熱流量。

　　仿真結(jié)果顯示，單面水冷下220攝氏度節(jié)溫的模塊采用雙面水冷后節(jié)溫只有175攝氏度。

　　針對著這種雙面散熱，其溫度測量需要做一定修改，如增加相應(yīng)的開孔及夾具固定。熱測試的結(jié)果也印證了前文的設(shè)計和仿真結(jié)果 ，其中穩(wěn)態(tài)熱阻將達(dá)到30~40%的降低。同時可以發(fā)現(xiàn)，模塊的熱時間常數(shù)只有1.5s，大大小于帶銅底板的常規(guī)IGBT模塊。

　　最后通電實(shí)驗(yàn)顯示，同等條件下，采用雙面水冷散熱后，輸出功率能夠增加30%以上。作者同時預(yù)言如果采用更優(yōu)化的水冷版設(shè)計，逆變器的電流能力能夠增加50%甚至更多。

　　IGBT在未來的發(fā)展，以及發(fā)展趨勢：

　　IGBT作為電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，各種新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，推動著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展，其功耗不斷降低，工作結(jié)溫不斷升高，從125℃提升到了175℃并向200℃邁進(jìn)，并可以在芯片上集成體二極管，形成逆導(dǎo)IGBT（RC-IGBT/BIGT），無需再反并聯(lián)續(xù)流二極管，在相同的封裝尺寸下，可將模塊電流提高30%，還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)芯片智能化，如圖所示。

　　通過對IGBT芯片的邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離處理，可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT（RB-IGBT），在雙向開關(guān)應(yīng)用中無需再串聯(lián)二極管，并具有更小的漏電流及更低的損耗 。

　　超結(jié)技術(shù)（super juncTIon）打破了傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通壓降與耐壓的極限關(guān)系（Ron∝VB2.5），可大大降低器件功耗，已成功應(yīng)用在MOSFET上。將該技術(shù)應(yīng)用在IGBT上，則可以進(jìn)一步降低功耗，目前已受到廣泛的關(guān)注。超結(jié)IGBT的主要難點(diǎn)是工藝實(shí)現(xiàn)，為了降低工藝難度，各種“半超結(jié)”結(jié)構(gòu)被提出，實(shí)現(xiàn)性能與工藝的折中。

　　與此同時，IGBT的工藝水平也在不斷提升，許多先進(jìn)工藝技術(shù)，如離子注入、精細(xì)光刻等被應(yīng)用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的最小特征尺寸已由5um，到3um， 到1um，甚至達(dá)到亞微米的水平。采用精細(xì)制造工藝可以大幅提高功率密度，同時可以降低結(jié)深，減小高溫擴(kuò)散工藝，從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的發(fā)展，英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品，不久的未來有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。

　　此外，新材料如寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)更低功耗、更大功率容量、更高工作溫度的器件，其中SiC成為目前的大功率半導(dǎo)體的主要研究方向，并在單極器件上實(shí)現(xiàn)商品化，在IGBT等雙極器件的研究上也不斷取得進(jìn)展。目前IGBT主要受制造工藝及襯底材料的缺陷限制，例如溝道遷移率及可靠性、電流增益較小及高摻雜P型襯底生長等問題，未來隨著材料外延技術(shù)的發(fā)展，SiC IGBT將會實(shí)現(xiàn)突破。

　　 IGBT模塊技術(shù)發(fā)展

　　隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)還將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面不斷改進(jìn)，有望將無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板等先進(jìn)封裝理念及技術(shù)結(jié)合起來，將芯片的上下表面均通過燒結(jié)或壓接來實(shí)現(xiàn)固定及電極互連，同時在模塊內(nèi)部集成更多其他功能元件，如溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

　　 小結(jié)

　　本文從IGBT體結(jié)構(gòu)、背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)三方面分析了IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀，目前IGBT芯片普遍采用平面柵或者溝槽柵結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用軟穿通體結(jié)構(gòu)與透明集電極區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及各種增強(qiáng)型技術(shù)，以提高綜合性能和長期可靠性。高壓IGBT模塊技術(shù)還是以標(biāo)準(zhǔn)的焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊產(chǎn)品則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合，無襯板/基板封裝等。未來IGBT將繼續(xù)朝著集成化、智能化、小型化的方向發(fā)展。