01前言
大家好，今天我們聊一下IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。IGBT作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，被譽(yù)為半導(dǎo)體皇冠上的明珠。作為一名電力電子打工人，大家或多或少都應(yīng)該和IGBT打過(guò)交道。面對(duì)耳熟能詳?shù)腎GBT，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?估計(jì)大部分小伙伴就不太清楚了。為了滿足大家的好奇心，今天我們就以英飛凌 PrimePACK 3封裝的IGBT模塊為例，幫大家拆解一下，看看這項(xiàng)高科技的內(nèi)部隱藏著哪些秘密!
02IGBT模塊簡(jiǎn)介
今天要給大家拆解的IGBT模塊型號(hào)為：FF1400R17IP4，模塊外形及等效電路如圖2所示。模塊的長(zhǎng)寬高為：25cmx8.9cmx3.8cm，握在手中，像塊板磚，可作防身用。
模塊內(nèi)部包含兩個(gè)IGBT，也就是我們常說(shuō)的半橋模塊，每個(gè)IGBT的額定電壓和電流都是1.7kV 1.4kA。8、9、10、11、12為功率端子，需要連接功率回路。1、2、3、4、5為IGBT的輔助控制端子，需要連接門極驅(qū)動(dòng)回路。6和7為NTC熱敏電阻，用來(lái)做溫度檢測(cè)或過(guò)溫保護(hù)。
圖2. FF1400R17IP4 模塊圖片及電氣原理
像這種類似板磚的黑模塊除了“防身”還能做什么呢?舉個(gè)身邊的例子：新能源電動(dòng)汽車，大家應(yīng)該都比較熟悉了，采用3個(gè)這樣的黑模塊就可以做一個(gè)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如果再配上電池，驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)大巴完全是綽綽有余的。當(dāng)然了，該模塊在其它應(yīng)用場(chǎng)合也很多，老耿就不一一介紹了。
圖3. IGBT新能源大巴應(yīng)用
03IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
對(duì)IGBT模塊外部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用有了初步了解后，讓我們進(jìn)入本文的主題，看看這個(gè)高科技的黑模塊內(nèi)部到底是什么樣子的。圖4就是IGBT模塊去掉黑色外殼的內(nèi)部圖片，有沒(méi)有被驚艷到?需要說(shuō)明的是IGBT模塊內(nèi)部并沒(méi)有什么貴重金屬，金色是銅而不是黃金，銀色的是鋁也不是銀。貌似最近銅的價(jià)格比較貴，估計(jì)壞的模塊按斤稱的話，也值個(gè)百十來(lái)塊錢。我也曾經(jīng)想過(guò)收集IGBT廢品，然后再提取金屬銅，只怪自己的執(zhí)行力不夠強(qiáng)，錯(cuò)失了發(fā)財(cái)機(jī)會(huì)。
圖4. IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)
扯遠(yuǎn)了，回到主題，圖5為IGBT模塊的剖面圖，如果去掉黑色外殼以及對(duì)外的連接端子，IGBT模塊內(nèi)部主要包含3個(gè)部件，散熱基板、DBC基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料層和互連導(dǎo)線，用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來(lái)，下面我們對(duì)每個(gè)部分作簡(jiǎn)單介紹：
圖5 IGBT模塊結(jié)構(gòu)剖面圖
① 散熱基板：IGBT模塊最下面的就是散熱基板，主要目的是把IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去。由于銅的導(dǎo)熱效果比較好，因此基板通常是用銅制成的，基板的厚度在3-8mm。當(dāng)然也有其它材料的基板，例如：碳化硅鋁(AlSiC)，兩者各有優(yōu)劣。
② DBC基板：DBC (Direct Bond Copper)，全稱為直接覆銅基板，也有文獻(xiàn)縮寫為：DCB(Direct Copper Bond)，兩者是一個(gè)意思。DBC是一種陶瓷表面金屬化技術(shù)，一共包含3層，中間為陶瓷絕緣層，上下為覆銅層，如圖6a所示。簡(jiǎn)單來(lái)講就是在一個(gè)絕緣材料的兩面覆上一層銅皮，然后在正面刻蝕出能夠走電流的圖形，背面要直接焊接在散熱基板上，因此就不需要刻蝕了。
圖6. DBC襯底和PCB對(duì)比
DBC的主要功能需要保證硅芯片和散熱基板之間的電氣絕緣能力以及良好的導(dǎo)熱能力，同時(shí)還要滿足一定的電流傳輸能力。DBC基板類似2層PCB電路板，PCB中間的絕緣材料一般為FR4，而DBC常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)。
對(duì)于本文所分析的IGBT模塊，內(nèi)部有6個(gè)DBC，每個(gè)DBC上有4個(gè)IGBT芯片和2個(gè)Diode芯片，其中2個(gè)IGBT芯片和1個(gè)Diode芯片作為上管，剩下的作為下管，如圖7所示。
圖7. DBC平面圖和等效電路
③ IGBT芯片：模塊內(nèi)部采用的IGBT芯片型號(hào)為：IGCT136T170，手冊(cè)可以從英飛凌官網(wǎng)下載。圖8 為IGBT芯片的平面俯視圖和基本參數(shù)。IGBT的門極和發(fā)射極在芯片的上方(正面)，集電極在下方(背面)，芯片的厚度為200um。IGBT開(kāi)通后，電流是從下至上流動(dòng)的，因此也可以稱這種結(jié)構(gòu)的IGBT為縱向器件。
圖8. IGBT芯片平面圖和基本參數(shù)
如果把這200um的芯片上再縱向來(lái)一刀，就可以得到如圖9a所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，里面是由不同參雜的P型或N型半導(dǎo)體組合而成的，再詳細(xì)的我就不專業(yè)了。圖8b為我們熟知的IGBT等效電路，通常都將IGBT理解為一個(gè)MOS控制的PNP晶體管。在剛開(kāi)始入門電力電子的時(shí)候總感覺(jué)這個(gè)圖有點(diǎn)別扭，為什么不把集電極畫在上面，發(fā)射極畫在下面，這樣也符合我們邏輯啊!直到了解了IGBT電流是從下至上流動(dòng)的，才恍然大悟，這可能也是最開(kāi)始畫這個(gè)圖的人靈魂所在吧!
圖9. IGBT芯片結(jié)構(gòu)及等效電路
讓我們?cè)偕晕⒘私庖幌逻@顆IGBT芯片的電氣參數(shù)，這個(gè)芯片在100℃下，可通過(guò)直流電流為117.5A。由圖4可知，模塊內(nèi)部的單個(gè)IGBT器件一共包含12個(gè)IGBT芯片，因此總的電流為：117.5*12=1412A，與IGBT模塊手冊(cè)中的1400A額定電流基本一致。
為了保證IGBT芯片之間的均流效果，每個(gè)芯片柵極內(nèi)部已經(jīng)集成了11.5Ω的電阻。同時(shí)考慮到DBC之間的均流，每個(gè)DBC上的兩個(gè)芯片外部又共用了一個(gè)門極電阻，如圖10所示。老耿用萬(wàn)用表測(cè)量了一下，阻值大概為4.13Ω，感興趣的小伙伴可以結(jié)合圖10算一下，看看是否與IGBT模塊手冊(cè)的中的1.6Ω一致。
圖10. IGBT內(nèi)部等效電路關(guān)于IGBT芯片更詳細(xì)的參數(shù)可以參考官方手冊(cè)[1]。
④ Diode芯片：圖11為Diode芯片的平面俯視圖，正面為陽(yáng)極，背面為陰極。二極管的電流方向是從上至下的，正好與IGBT的電流方向相反。Diode芯片額定電流為235A，每個(gè)IGBT由6個(gè)Diode并聯(lián)組成，總電流可達(dá)1410A，與模塊手冊(cè)中的1400A也基本一致。Diode芯片的厚度與IGBT一樣，也為200um。關(guān)于Diode芯片更詳細(xì)的參數(shù)可以參考官方手冊(cè)[2]。
圖11. Diode平面圖及基本參數(shù)
看到這里，你會(huì)不會(huì)驚嘆在面積這么小，而且這么薄的半導(dǎo)體材料上就可實(shí)現(xiàn)上kV電壓和上百A電流的開(kāi)通和關(guān)斷，真了不起，這也是為什么大功率半導(dǎo)體器件價(jià)格都很昂貴的原因。
⑤ 鍵合線：IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上銅層互連一般采用鍵合線實(shí)現(xiàn)，常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種，如圖12所示。其中鋁線鍵合工藝成熟、成本較低，但是鋁線鍵合的電氣、熱力學(xué)性能較差，膨脹系數(shù)失配大，影響IGBT使用壽命。而銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可靠性高，適用于高功率密度、高效散熱的模塊。
圖12. 鋁鍵合線vs 銅鍵合線
關(guān)于IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介紹先到這里，更詳細(xì)的說(shuō)明可參考Infineon官方書籍《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用》。
04IGBT模塊內(nèi)部電流走向
對(duì)IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了基本了解后，讓我們回過(guò)頭來(lái)，把上面的所有部件互連起來(lái)，看看IGBT模塊內(nèi)部電流是怎么流動(dòng)的。在這里我們以其中一個(gè)DBC中的上管IGBT為例說(shuō)明電流的流向，紅色代表上管IGBT(S1和S2)電流方向，藍(lán)色代表二極管D1電流方向。圖13b為圖13a模塊的左視剖面圖及電流方向示意圖，感興趣的小伙伴可以畫畫下管IGBT的電流走向。
圖13. IGBT電流走向圖
05如何拆解IGBT模塊
有些小伙伴可能好奇這個(gè)模塊是怎么拆開(kāi)的，其實(shí)也很簡(jiǎn)單，你只需要準(zhǔn)備兩把螺絲刀和一個(gè)小錘子就可了。
第1步需要一個(gè)梅花螺絲刀把IGBT模塊底部的4個(gè)螺絲擰下來(lái)。
第2步將IGBT模塊正面的所有端子采用平口螺絲刀撬開(kāi)，這一步很關(guān)鍵，需要保證被撬開(kāi)后的所有端子要與模塊基板保持垂直。
第3步需要把IGBT固定在一個(gè)地方，或者找個(gè)人按住，用平口螺絲刀對(duì)準(zhǔn)IGBT模塊塑封外殼與基板連接處的任意一個(gè)位置，用錘子敲擊螺絲刀，通過(guò)螺絲刀將外殼從基板撬開(kāi)，撬開(kāi)一個(gè)位置后，墊上東西，再去撬另外一個(gè)位置，就這樣，慢慢地都撬開(kāi)后，找個(gè)力氣大的同學(xué)，用手直接扒開(kāi)就可以了。
圖14. IGBT模塊拆解步驟
06特別聲明
以上模塊拆解教程只是針對(duì)Primepack封裝模塊，且僅供IGBT模塊失效分析用，小伙伴們?nèi)绻诓鸾膺^(guò)程中，由于不小心用錘子或螺絲刀戳到自己或旁邊同學(xué)而造成人身傷害的，不要來(lái)找我了啊。
