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    • 头条中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升
      2021-04-11 作者:刘国友 罗海辉 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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      导语高压大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。 为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异,提高其功率循环能力与长期运行可靠性,新型功率半导体器件国家重点实验室、株洲中车时代电气股份有限公司、株洲中车时代半导体有限公司的研究人员刘国友、罗海辉、张鸿鑫、王彦刚、潘昭海,在2020年第21期《电工技术学报》上撰文,提出功率模块采用全铜材料实线电学互连的思路。 作者系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技术,实现了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺,研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块,首次实现了全铜工艺的高压模块。

      绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电气化轨道交通装备中负责电能转换的核心部件,高压大容量IGBT模块长期运行可靠性对牵引变流器的安全运行至关重要。目前1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等级的高压大容量IGBT模块已经广泛应用在“复兴号”高铁、“和谐号”电力机车牵引变流器中。

      随着轨道交通高速、重载技术的发展和电力电子装置绿色、智能要求的不断提高,对大功率IGBT模块的性能与可靠性提出了越来越高的要求,需要更高的功率密度、更高的工作温度、更高的运行可靠性来满足新一代牵引动力的应用需求。

      传统半导体工艺基于铝金属化与互连工艺,相应的主流大功率IGBT模块大都是沿用铝工艺技术,如芯片表面铝金属化、芯片互连铝引线键合、功率端子与陶瓷衬板焊片焊接等。由于功率模块内部异质材料之间不可避免地存在热膨胀系数失配,加上铝材料热膨胀系数较高,大功率模块内部因长期处于温度循环和功率循环的冲击而出现焊点开裂、焊层退化现象,影响了模块长期应用的可靠性。

      功率半导体封装技术的进步很大程度上来源于材料与制造工艺的发展。铜金属比铝具有更优良的导电与导热性能,有良好的抗电迁移能力和可靠性,可以通过物理气相淀积(PVD)和电镀工艺实现沉积。

      中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升

       

      如果将铜作为一种新型电极材料替代IGBT正面铝金属电极,可以降低IGBT模块的功率损耗、提高模块功率循环能力,成为高性能IGBT的一种技术发展趋势。由于铜离子在芯片内部是一种有害杂质,以及工艺平台兼容性等问题,阻碍了铜工艺在IGBT等功率器件制造中的应用发展。

      大功率IGBT模块封装的可靠性,很大程度上取决于芯片之间的引线互连工艺可靠性水平,因为引线材料及其键合点的可靠性直接决定了模块应用过程中的功率循环能力。采用铜引线取代传统的铝引线实现键合互连,相同线径的铜引线载流能力可以提高70%,是IGBT技术发展方向,尤其是在轨道交通、电力系统等高端应用领域。

      要实现铜引线的互连,首先必须确保芯片表面的金属化电极是铜,因此芯片铜金属化是铜引线键合互连的基础。

      新一代全铜工艺技术主要包含芯片铜金属化、铜引线键合互连和模块铜功率端子超声焊接三部分技术。与封装结构相同的铝工艺模块相比,铜工艺模块主要有两方面的改进内容:首先是在芯片表面生长厚铜层,不仅有利于降低芯片通态损耗、改善散热,同时还可以缓解铜引线键合过程中的冲击力,提高键合点的可靠性;其次,芯片之间的铜引线键合互连,可以降低模块寄生电阻损耗,减小键合引线自热效应的影响。

      Infineon公司提出了包括IGBT芯片铜金属化、铜引线键合等新技术的.XT技术,通过应用在中低压模块,对比说明了该技术可以在很大程度上提高模块的使用效率及寿命。

      中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升

      图1 750A/6 500V全铜IGBT模块封装工艺

      中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升

      图2 全铜工艺750A/6 500V IGBT模块SOA

      在整合上述先进工艺的基础上,并基于先进的8in(lin=0.025 4m)IGBT高压芯片工艺平台,新型功率半导体器件国家重点实验室、株洲中车的研究人员研发了铜金属化IGBT/FRD(快恢复二极管)芯片和铜引线键合工艺,这是一种包括芯片铜金属化、铜引线键合互连、铜端子超声焊接的全铜工艺高压大电流IGBT模块技术。

      中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升

      图3 750A/6 500V模块的功率循环测试

      与传统铝工艺技术相比,铜工艺IGBT模块具有更低的通态损耗、更高抗浪涌电流能力和更长功率循环寿命。全铜工艺模块不仅使导通损耗降低了10%、浪涌电流能力提升了20%,而且功率循环能力提高了16倍,提升了功率模块的运行韧性与应用可靠性。

      中车研究人员提出新思路,功率模块用全铜工艺,产品性能全面提升

      图4 模块HTGB/HTRB试验前后结果比较

      在此基础上,他们首次研制出了基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块,并将其性能、温度循环和功率循环能力提高到一个新的水平,并具有优良的动/静态特性和高可靠性,满足了新一代牵引变流器的应用需求,有望推广到柔性直流输电等高端应用领域。

      以上研究成果发表在2020年第21期《电工技术学报》,论文标题为“基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块”,作者为刘国友、罗海辉、张鸿鑫、王彦刚、潘昭海。

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