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富士电机应用手册富士 7代X系列IGBT模块 - Fuji Electric.pdf

CONTENTS
1章 X系列的基本概念和特征 1-1
iii

2章 使用注意事项 2-1

本章介绍  7 代 X 系列 IGBT 模块的基本概念和特征。
近年来，为了防止化石燃料枯竭和 变暖， 人们正在追求提高能源利用率和减少二氧化碳排放方面作
出了努力。 因此， 包括了马达驱动等工业应用，开关电源等民生应用，以及电动汽车和铁路、太阳能发
电和风力发电等可再生能源应用等，使用功率半导体器件的高效率电力变换装置其适用领域和市场正在
急速扩大。 在功率半导体器件中， IGBT（ 缘栅双 晶体管）模块具有高速开关、 大功率高效率和容易
操控的特征，从而使它在其应用领域中不断扩大。
IGBT 模块在投放市场以来，凭借多项技术创新实现了更低的损耗以及结构的小型化。这些创新在电力
变换装置的高效率、小型化、高性价比作出了贡献。然而， IGBT 模块尺寸的小型化会导致 IGBT 模块在
高功率密度时， 结温升高和可靠性降低。为了进 步实现模块的小型化和高效率， 除了提高芯片性能，
创新的封装技术（散热性能和可靠性提高）也变得不可欠缺。 为了满足市场需求， 富士电机开发了新型
芯片技术和封装技术的  7 代 IGBT 模块「X 系列」。
 更低的变频器损耗（芯片技术）
 7 代 X 系列 IGBT 通过 薄的晶圆制造技术和细小的沟槽门 结构， 使得它在损耗方面的表现比我们
 6 代 V 系列 IGBT 有了突飞猛进的进步。

直径/长度），提高了 X 系列在高温工作时的稳定性和耐久性， 从而将 大连续可操作结温 Tvjop 从原来的
150℃提高到 175℃。这实现了在保持模块原有尺寸的条件下增加了输出能力。

例） 1200V EP2 封装（ 大额定电流：  6 代： 50A→  7 代： 75A），这意味着 X 系列的技术使得
额定电流扩大了 50%。
从另 个角度来说， 大额定电流的扩大可以让封装尺寸减小，原来 75A/1200V 只能使用更大的 EP3
封装（详见 四章）。 新 代的 IGBT 可以为电力变换装置小型化以及低成本化作出贡献

如图 1-2 所示是  6 代 V 系列和  7 代 X 系列的芯片剖面图。  7 代的 IGBT 芯片结构继承了  6 代 V
系列技术开发的场截止（Field Stop） 结构和沟槽门 结构。  7 代 X 系列与  6 代 V 系列相比，通过
用薄晶片减少漂移层的厚度。通过采用这样的薄漂移层，可以在  7 代 X 系列中更进 步降低 IGBT 芯
片的导通压降。 般来说，漂移层变薄时， 可能会出现关断时的电压振荡及耐压降低，但通过进 步优
化场截止层，可以抑制电压振荡的同时确保足够的击穿电压以达成芯片的进 步减薄。另外，与  6 代 V
系列相比，通过使芯片表面的沟槽门 结构的细小化和 优化，可以抑制在导通时 P 通道抽出的空穴，
通过增加表面的载流子浓度来提高 IE 效果（Injection Enhanced），大幅度改善了导通压降和关断损耗之
间的平衡关系

X 系列芯片的主要特征
1. 更薄的漂移层
- 降低导通压降
- 降低开关损耗
2. 细小化沟槽门 结构
- 降低导通压降
- 降低开关损耗
3. 优化场截止层
- 抑制电压振荡
- 降低高温漏电流
2.1 导通压降和关断损耗之间平衡关系的改善
图 1-3 显示了  7 代 X 系列和  6 代 V 系列 IGBT 芯片输出特性的比较。 如图所示，在额定电流条件
下，  7 代 X 系列的导通压降(集电 －发射 电压)VCE(sat)降低了约 0.25V。 通过降低导通压降，可以
减小电流流过 IGBT 时产生的导通损耗（电流× 导通压降）， 从而可以进 步提高电力变换装置的效率。

2.2 漏电流的改善
IGBT 在集电 和发射 之间施加反向偏压时的漏电流具有随着温度的升高而增加的特性。由于在这种
高温下的漏电流发生的损耗， 使结温进 步上升，并且随着温度的升高， 进 步增加了漏电流，在这种
情况下可能会导致热失控损坏。 通过优化了场截止层， 和  6 代 V 系列相比，  7 代 X 系列 IGBT 在高
温下的漏电流降低了 28%，同时也降低了热失控的风险，从而保证了能够连续工作在 175℃的结温。
2.3 FWD 反向恢复特性的改善
 7 代 X 系列 IGBT 模块，不仅改善了 IGBT 芯片的特性，还改善了并联在 IGBT 上的二 管特性。
（FWD： Free Wheeling Diode）
X 系列的 FWD 器件通过减小漂移层的厚度来降低正向电压（VF）。 然而，通常在二 管的漂移层变薄
时， 反向恢复时耗尽层容易到达底面， 从而在反向恢复时会发生电压振荡的问题。在 X 系列的 FWD 器
件中，通过优化芯片底面结构，可以抑制反向恢复运行期间耗尽层的延伸， 防止耗尽层到达底面， 从而
抑制反向恢复时的电压振荡和浪涌电压。图 1-6 表示了  7 代 X 系列和  6 代 V 系列的 FWD 的比较特
性。图 1-6（a）所示，反向恢复峰值电流和拖尾电流都减小了，实现了更加平缓的反向恢复波形。 而图
1-6（b） 则显示了反向恢复损耗和正向电压之间平衡关系的改善，与  6 代 V 系列相比， 相同的 VF 条件
下  7 代 X 系列反向恢复损耗降低了约 30%。
般而言，当模块开关时发生的电磁干扰（EMI: Electro Magnetic Interference）取决于电压斜率 dv/dt。
将反向恢复波形变软的目的是通过降低 dv/dt 来改善 EMI。

3. X 系列的封装技术特征

 7 代 X 系列保证连续运行期间的结温 Tvjop=175℃。 为了实现这点， 提高 IGBT 以及 FWD 芯片的效
率和尺寸是必不可少的。 但是另 方面， 由于芯片小型化而增加的功率密度导致芯片温度的增加， 因此
可能降低器件的可靠性。 在  7 代 IGBT 模块中，通过优化模块结构以及新开发的高耐热和高可靠性封
装解决了这个问题。
 新材料的开发
- 高散热陶瓷 缘基板  散热性、 可靠性提升
- 高耐热硅凝胶  在 175℃时保证长期的 缘性
- 高强度焊锡  ΔTvj 功率循环耐量的提升
 模块结构的优化
- 绑定线直径/长度优化  ΔTvj 功率循环耐量提升
3.1 高散热陶瓷 缘基板开发
为了改善 IGBT 以及 FWD 芯片的散热性能，  7 代 IGBT 模块减小了 缘基板的热阻， 因为陶瓷 缘
基板对芯片与散热片之间的热阻影响 大。 低成本 Al2O3（氧化铝）、具有高导热性和低热阻的 AlN（氮
化铝）等被广泛用作 缘基板的材料。 为了对应近年来的高输出化·小型化的要求， 具有低热阻的 AlN
缘基板的应用越来越广泛。 然而， 由于基板厚度大，常规的 AlN  缘基板具有高刚性。 外壳温度（Tc）
升高时， 施加于基板下焊锡的热应力将增加，从而降低可靠性。
如图 1-7 所示，  7 代 X 系列模块， 新开发的 缘基板的 AlN 陶瓷层比以前系列更薄，并能确保高散
热·低热阻和长期可靠性。通常来说， 当 AlN  缘层变薄时， 会担心陶瓷 缘基板的 缘强度和初始强
度降低，但是通过优化陶瓷的烧结条件解决了这些问题
如图 1-8 显示了常规的 Al2O3 基板和新开发的高散热 AlN  缘基板的芯片-外壳之间热阻曲线。如图所
示，高散热 AlN  缘基板比 Al2O3 基板的热阻降低了约 45%（相同芯片尺寸上进行比较）。 对功率密度和
芯片温度要求比较严格的产品， 通过使用新 AlN  缘基板解决了温升和长期可靠性的问题， 实现了模块
的小型化和高温运行。

3.2 高耐热硅凝胶的开发
6代V系列的连续运行时的 大结温（Tvjop）是150℃， 7代X系列可以保证连续 大结温是175℃。
IGBT 模块另 个长期可靠性的问题是在高温条件下减缓模块内部硅凝胶的劣化。硅凝胶是用于确保
IGBT 模块的 缘耐压， 通常硅凝胶会随着温度升高而发生固化， 并且固化后的硅凝胶可能会产生裂缝，
从而降低 缘性能，因此无法保证在高温条件下连续运行。为了解决这个问题，开发了新高耐热的硅凝
胶。这个高耐热硅凝胶，通过材料组成的优化，抑制了高温下的固化，经试验证实，即使在高温环境下
的放置试验（215℃、 2000 小时） 也没有出现裂纹。
图 1-9 显示了环境温度和硅凝胶使用寿命的关系。横轴是环境温度（数值越小，温度越高）、 纵轴表示
硅凝胶的寿命。 在 175℃下高耐热硅凝胶的使用寿命比传统的硅凝胶提高了 5 倍， 并且与 150℃下的传
统的硅凝胶具有相同的使用寿命。因此， 确保 X 系列模块在 175℃的高温下 缘性能可以与传统的产品
在 150℃条件下的 缘性能具有相同的可靠性

3.2 高耐热硅凝胶的开发
6代V系列的连续运行时的 大结温（Tvjop）是150℃， 7代X系列可以保证连续 大结温是175℃。
IGBT 模块另 个长期可靠性的问题是在高温条件下减缓模块内部硅凝胶的劣化。硅凝胶是用于确保
IGBT 模块的 缘耐压， 通常硅凝胶会随着温度升高而发生固化， 并且固化后的硅凝胶可能会产生裂缝，
从而降低 缘性能，因此无法保证在高温条件下连续运行。为了解决这个问题，开发了新高耐热的硅凝
胶。这个高耐热硅凝胶，通过材料组成的优化，抑制了高温下的固化，经试验证实，即使在高温环境下
的放置试验（215℃、 2000 小时） 也没有出现裂纹。
图 1-9 显示了环境温度和硅凝胶使用寿命的关系。横轴是环境温度（数值越小，温度越高）、 纵轴表示
硅凝胶的寿命。 在 175℃下高耐热硅凝胶的使用寿命比传统的硅凝胶提高了 5 倍， 并且与 150℃下的传
统的硅凝胶具有相同的使用寿命。因此， 确保 X 系列模块在 175℃的高温下 缘性能可以与传统的产品
在 150℃条件下的 缘性能具有相同的可靠性
 7 代 X 系列对芯片上的绑定线在直径和长度方面进行了优化。这确保了在 Tvj=175℃条件下的连续工
作也具有足够的功率循环耐量。此外，芯片下的焊接材料已被新开发的高强度焊锡所取代。
图 1-11 显示了  7 代 IGBT 模块和  6 代模块的 ΔTvj 功率循环寿命曲线。  7 代的寿命比  6 代多了
2 倍（Tvj,max=150℃、 Δ Tvj=50℃）。 此外，  7 代 X 系列模块在 Tvj,max=175℃时的功率循环耐量是等于
或者高于  6 代 V 系列 Tvj,max=150℃时的功率循环耐量， 这也保证了在 Tvj=175℃的安全运行性和高可
靠性。