IGBT功率模块工艺介绍课件
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IGBT模块：技术、驱动和应用课件：质量与可靠性
IGTB Modules– Technologies, Driver and Application
测试项目
型式试验
常规试验
测试项目
型式试验
常规试验
集-射极电压Uce*sus
×
集-射极饱和电压UCEsat
×
×
集-射极电压UCES
×
×
集-射极漏电流ICES
×
栅-射极电压±UGES
×
输入电容Cies
×
*
DCB：系统焊层的分离，总是从DCB的角落开始。避免在DCB的四角产生直角可以提高系统焊接层的负载周次能力 插入凹纹：在DCB的覆铜层边缘引入特定的压痕来防止覆铜层的脱落，从而提高自身的负载周次能力。
提高负载周次能力的措施
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
铜绑定线
采用铜键合工艺同时采用铜作为芯片表面金属覆层。
*
给定负载循环300s，据此计算损耗及计算相应的散热器温度、底板温度和结温。
寿命计算
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
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25
30
每年的天数
5
10
10
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35
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每天的负载周次
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测试项目
型式试验
常规试验
测试项目
型式试验
常规试验
集-射极电压Uce*sus
×
集-射极饱和电压UCEsat
×
×
集-射极电压UCES
×
×
集-射极漏电流ICES
×
栅-射极电压±UGES
×
输入电容Cies
×
*
DCB：系统焊层的分离，总是从DCB的角落开始。避免在DCB的四角产生直角可以提高系统焊接层的负载周次能力 插入凹纹：在DCB的覆铜层边缘引入特定的压痕来防止覆铜层的脱落，从而提高自身的负载周次能力。
提高负载周次能力的措施
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
铜绑定线
采用铜键合工艺同时采用铜作为芯片表面金属覆层。
*
给定负载循环300s，据此计算损耗及计算相应的散热器温度、底板温度和结温。
寿命计算
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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每年的天数
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每天的负载周次
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IGBT分类PPT课件
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1、用在逆变回路中主要用于续流，同时由 于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT 两端产生极高的自感反相电压，此电压可能 击穿IGBT。并联的二极管将这个“自感反相 电压”短路掉了，起到保护IGBT的作用。
2、用在整流回路中（例如西门子的SLM模块），二极管主要用于整流， 将交流电整流为直流电（进线电压的1.35倍）。而此回路中的IGBT主要 用于回馈。
IGBT 裸片：
IGBT分立元件 IGBT模块
智能模块 IPM
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半导体制造从一个极薄的半导体材料圆盘开始，这个圆盘 称作“晶圆”。处理工艺定义为晶体管及其它架构，通过导线相 互连接构成所要求的电路。 随后，晶圆被制成“裸片”，裸片经 过封装后制成ic。 裸片即是晶圆经过切割测试后没有经过封装 的芯片。
第2页/共22页
1.不带反向并联二极管 2 带反向并联二极管
第3页/共22页
带反向并联二极管：逆导型IGBT
reverse conduction IGBT
逆导型IGBT等效于一个IGBT与一个 PIN二极管反并联，只不过在同一芯片上 实现了。
当IGBT在承受反压时，这个PIN二极 管导通，称其为逆导型IGBT。在关断期 间，逆导型IGBT为漂移区过剩载流子提 供了一条有效的抽走通道，大大缩短了 逆导型IGBT的关断时间。
• IGBT模块可用于变频器，开关， 开关电源，UPS，双PFC和DC伺 服驱动。
第13页/共22页
• 所有的逆变单元都是紧凑的扁平化设计，且高度都统一为17mm，它采 用了弹簧技术，控制单元全是无焊接接触，且每一基本单元都类似，可 快速生产。
• IGBT模块可以用在AC/DC电机控制的输入整流桥中，且适用于开关电 源，电流变频，UPS，电焊机装置中。经过可靠的测试证明有极高的性 价比。
1、用在逆变回路中主要用于续流，同时由 于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT 两端产生极高的自感反相电压，此电压可能 击穿IGBT。并联的二极管将这个“自感反相 电压”短路掉了，起到保护IGBT的作用。
2、用在整流回路中（例如西门子的SLM模块），二极管主要用于整流， 将交流电整流为直流电（进线电压的1.35倍）。而此回路中的IGBT主要 用于回馈。
IGBT 裸片：
IGBT分立元件 IGBT模块
智能模块 IPM
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半导体制造从一个极薄的半导体材料圆盘开始，这个圆盘 称作“晶圆”。处理工艺定义为晶体管及其它架构，通过导线相 互连接构成所要求的电路。 随后，晶圆被制成“裸片”，裸片经 过封装后制成ic。 裸片即是晶圆经过切割测试后没有经过封装 的芯片。
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1.不带反向并联二极管 2 带反向并联二极管
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带反向并联二极管：逆导型IGBT
reverse conduction IGBT
逆导型IGBT等效于一个IGBT与一个 PIN二极管反并联，只不过在同一芯片上 实现了。
当IGBT在承受反压时，这个PIN二极 管导通，称其为逆导型IGBT。在关断期 间，逆导型IGBT为漂移区过剩载流子提 供了一条有效的抽走通道，大大缩短了 逆导型IGBT的关断时间。
• IGBT模块可用于变频器，开关， 开关电源，UPS，双PFC和DC伺 服驱动。
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• 所有的逆变单元都是紧凑的扁平化设计，且高度都统一为17mm，它采 用了弹簧技术，控制单元全是无焊接接触，且每一基本单元都类似，可 快速生产。
• IGBT模块可以用在AC/DC电机控制的输入整流桥中，且适用于开关电 源，电流变频，UPS，电焊机装置中。经过可靠的测试证明有极高的性 价比。
IGBT模块：技术、驱动和应用课件：机械安装指导
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环境影响
考虑了负载和直流母线端子固定点的安装结构
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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环境影响 气体和液体：IP00
硫化氢腐蚀镀铜层，可能会导致开路或短路
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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连接技术
导热硅脂的粘度对金属接触也有影响，应该选择中等粘度的导热硅脂
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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连接技术
直接冷却模块安装（Direct Cooled PinFin Base Plate）
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
2
简介
IGBT模块的外部连接和结构: PCB板、电缆、母线排和散热器等外部 组件的连接技术; 环境对模块的运行以及对储存和运输的影响。
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
3
连接技术
电气连接 在实际应用中，选择连接方法受到多方面的制约：
8
连接技术
散热器安装和导热硅脂
如果涂抹硅脂后，需要利用一种特殊的齿形抹刀垂直于涂 抹层，插到硅脂中，稍微停顿，这样浸湿牙齿的顶部和非湿 牙齿的底部之间的距离就是涂层的厚度
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
9
连接技术
散热器安装和导热硅脂
14
连接技术
电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件
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二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
传输时间短的快速光耦。 3．门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。 4．为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。
第29页/共43页
第30页/共43页
2．过电流的识别： 采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控
制信号。 注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），
同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加， 保护电路动作时间延长来处理。 3．保护时缓关断：
由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关 断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿， 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采 取措施使IGBT进行“慢速关断”。
第31页/共43页
第32页/共43页
随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。 2．RBSOA： IGBT关断时反向偏置安全工作区。
随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。通过 选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。
最大漏极电流
第16页/共43页
1．正偏电压VGS的影响
VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定 程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。（12V~15V）
二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
传输时间短的快速光耦。 3．门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。 4．为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。
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2．过电流的识别： 采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控
制信号。 注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），
同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加， 保护电路动作时间延长来处理。 3．保护时缓关断：
由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关 断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿， 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采 取措施使IGBT进行“慢速关断”。
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随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。 2．RBSOA： IGBT关断时反向偏置安全工作区。
随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。通过 选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。
最大漏极电流
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1．正偏电压VGS的影响
VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定 程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。（12V~15V）
IGBT功率模块工艺介绍共37页PPT
IGBT功率模块工艺介绍
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
IGBT驱动技术概述PPT课件
IGBT驱动技术概述
精选PPT课件
1
内容简介
1. IGBT驱动 2. 国内外典型IGBT驱动器概述 3. 所内IGBT驱动现状及发展计划
精选PPT课件
2
1 IGBT的驱动
1.1 IGBT驱动的概念与意义 1.2 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1.3 IGBT驱动电路基本要素 1.4 IGBT驱动设计中需考虑的一些问题
精选PPT课件
16
1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
1) IGBT的擎住效应
当 IC 大到一定程度， 或关断的动态过程
中dVCE ／ dt 过高， 使 V2 开通，进而
使 V2 和 V3 处于饱
和状态，栅极失去 控制作用
具有寄生晶闸管IGBT等效 电路
精选PPT课件
17
1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
精选PPT课件
39
2.4 CONCEPT公司IGD515
主要特点：
– 带有电源隔离电路, 外接电路简单
– 输出电压将近±15V – 输出电流峰值±15A – 开关频率可达MHz – 光纤传送抗干扰能力
强 适用于驱动IGBT元件
或大功率MOSFET
精选PPT课件
40
2.4 CONCEPT公司IGD515
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个 大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而 对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的 通流能力
– 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET 组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的 厚基区PNP晶体管
精选PPT课件
6
精选PPT课件
1
内容简介
1. IGBT驱动 2. 国内外典型IGBT驱动器概述 3. 所内IGBT驱动现状及发展计划
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2
1 IGBT的驱动
1.1 IGBT驱动的概念与意义 1.2 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1.3 IGBT驱动电路基本要素 1.4 IGBT驱动设计中需考虑的一些问题
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16
1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
1) IGBT的擎住效应
当 IC 大到一定程度， 或关断的动态过程
中dVCE ／ dt 过高， 使 V2 开通，进而
使 V2 和 V3 处于饱
和状态，栅极失去 控制作用
具有寄生晶闸管IGBT等效 电路
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17
1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
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39
2.4 CONCEPT公司IGD515
主要特点：
– 带有电源隔离电路, 外接电路简单
– 输出电压将近±15V – 输出电流峰值±15A – 开关频率可达MHz – 光纤传送抗干扰能力
强 适用于驱动IGBT元件
或大功率MOSFET
精选PPT课件
40
2.4 CONCEPT公司IGD515
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个 大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而 对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的 通流能力
– 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET 组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的 厚基区PNP晶体管
精选PPT课件
6
IGBT基本原理ppt课件
在电力电子电路中,IGBT经常会直接承受较高的负载电压,所以选择IGBT首先就要考虑IGBT的电压等级也就是IGBT正
向阻断电压的能力。
目前市场上IGBT的电压等级主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的电压等级表
示IGBT可以阻断多少正向电压,超过相应的电压等级器件的漏电流会开始大量增加,短时间内器件也许不会损坏,但长
产品。
;.
20
四 IGBT 小结
定义： COMSFET与BJT复合的全控型 A 电压驱动大功率开关器件；
结构、原理：
PNPN四层结构； 用MOSFET控制BJT；
C
;.
背景： 80年代发展至今，IGBT拥有输入 B 阻抗大、驱动功率小、 开关损耗低以及工作频率高等优 点
电气特性： D 静态特性与开关特性
绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属 铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
;.
5
1.IGBT 简化等效电路
IGBT
目前, IGBT器件已从第1代发展到了第4代，它的工作频率可达到 200KH z。它的功率容量从小功率 (80-300A/500-1200V ) 的单管发展到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模块, 形成了系列化 产品,产品覆盖面非常大。
;.
8
二 IGBT发展历史 回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
IGBT的芯片结构及失效模式ppt课件
IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出
综述：IGBT芯片有龟裂或者表面有熔融的球状物，出现此类现象时，可 以判定为过电流损坏。
损坏的原因一般有以下几种： 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高； 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位； 3、器件本身空洞率过高
D、门极过电压
故障点位于栅氧化层, 由于栅氧化层几乎分布 在硅片的每个部位，所以故障点可能随机出 现在硅片的任意地方。
为了获得尽可能低的通态压降，IGBT选用的 硅单晶电阻率及设计的芯片基区宽度都是被控制 在尽可能小的范围，这决定了IGBT的集电极额定 击穿电压并不像工频器件那样可有较大的余量， 因此当IGBT承受的电压超过其额定值时极有可能 造成永久性损坏——电压击穿失效。
当IGBT关断过高的脉冲集电极电流ICM时同 样可能产生较高的集电极电压VCE而产生电压击 穿失效。多数器件制造商推荐的IGBT工作电压 VCE的上限值为80％额定电压。
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点， 当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
E、热循环疲劳
位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是 由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。
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损坏的原因一般有以下几种：
1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
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目的： 对壳体内部进行加注A、B胶并抽真空，高温固化 ，达到绝缘保护作用
设备： FT-6000D 双液计量混合连续供给系统 电热恒温鼓风干燥箱 真空干燥箱
双液计量混合连续供给系统
电热恒温鼓风干燥箱
真空干燥箱
抽真空
固化完成
高温固化
10、封装、端子成形
目的：对产品进行加装顶盖并对端子进行折弯成形 设备：折弯机
11、
功能测试
目的： 对成形后产品进行高低温冲击检验、老化检
验后，测试IGBT静态参数、动态参数以符合出厂标 准
设备： Espec高低温冲击实验箱
老化炉 Tesc 静态测试系统 Lemis 动态测试系统
老化炉
Tesec 静态测试系统
Lemsys 动态测试系统 高加速应力实验箱
IGBT 模块成品
IGBT-功率模块工艺 介绍
生产流程
• 丝网印刷 • 自动贴片 • 真空回流焊接 • 超声波清洗 • 缺陷检测（X光） • 自动引线键合 • 激光打标 • 壳体塑封 • 壳体灌胶与固化 • 端子成形 • 功能测试
1、
丝网印刷
目的： 将锡膏按设定图形印刷于DBC铜板表面，为
自动贴片做好前期准备
设备： BS1300半自动对位SMT锡浆丝印机
供应商： 英国Autotronik 公司制造
丝网印刷机
印刷效果
2、
自动贴片
目的：将IGBT芯片贴装于DBC印刷锡膏表面 设备：MC391V 全自动贴片机 供应商：英国Autotronik制造
3、
真空回流焊接
目的：将完成贴片的DBC半成品置于真空炉内，进行回流焊接 设备：VL0-180 真空焊接系统 供应商：德国Centrotherm制造
4
、超声波清洗
目的： 通过清洗剂对焊接完成后的DBC半成品进行清
洗，以保证IGBT芯片表面洁净度满足键合打线要求
设备： BO-3030R 三槽超声波气相清洗机
供应商： 中国博瑞德生产
超声波清洗机
5、
缺陷检测（X光或SAM）
目的：
通过X光检测筛选出空洞大小符合标准的半 成品，防止不良品流入下一道工序
设备：XD7500VR X-RAY检测机
供应商：英国Dage制造
X-RAY
6、
自动键合
目的：通过键合打线，将各个IGBT芯片或DBC间连结起来，形成完整的电路结构
设备：超声波 自动键合机
供应商：美国 OE制造
超声波自动键合机
键合拉力测试
7、
激光打标
目的： 对模块壳体表面进行激光打标，标明产品
型号、日期等信息
设备： HG-LSD50SII 二极管泵浦激光打标机
供应商： 武汉华工激光
二极管泵浦激光打标机
打标效果
8、壳体塑封
目的： 对壳体进行点胶并加装底板，起到粘合底板的作用
设备： LGY-150B 智能化滴胶机
RB-1031IM 三轴自动点胶机
三轴自动点胶机
点胶后安装底板
9、
壳体灌胶与固化