科研简报：4种压接型IGBT器件的封装结构及特性比较
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优点。大功率IGBT器件有**与压接两种封装形式。
**型IGBT器件通过键合线使内部芯片与外部电极形成电气连接，其生产成本较低，是目前应用最广泛的IGBT器件，但因其存在功率密度不足、焊料层脱落、键合线断裂、单面散热等问题，难以满足高功率等级的需求。
压接型IGBT器件通过施加压力，使内部芯片与外部电极形成电气连接，可实现多芯片并联压接封装。相比**型IGBT器件，压接型IGBT器件易于规模化芯片并联封装、串联使用，且具有低热阻、双面散热、失效短路等优点。
压接型IGBT器件根据内部芯片数量可分为压接单芯片器件与压接多芯片器件，分别如图1a、图1b所示，根据封装结构主要可分为刚性压接器件与弹性压接器件，分别如图1b、图1c所示。
图1 压接型IGBT器件封装类型
刚性压接器件主要由WESTCODE、TOSHIBA等公司生产，国内中车时代电气、全球能源互联网研究院等企业也开展了自主设计与制造，其主要结构由集电极铜板、集电极钼片、IGBT芯片、发射极钼片、银垫片、门极顶针、支架、门极PCB、凸台、发射极铜板和外壳构成。
其中钼片作为缓冲层以减小热应力对芯片的冲击，门极顶针连接芯片门极区和门极PCB以传递驱动信号，银垫片用于缓解芯片间压力分配不均问题，集电极与发射极铜板外表面均可安装散热装置实现双面散热。
器件工作时需要通过夹具施加一定压力以减小接触电阻与接触热阻，进而保证各层封装材料间的良好接触。同时，为了使多芯片间电-热-力分布均匀，需要对内部各种封装材料进行精准匹配，构件进行精密加工，因此刚性压接器件普遍对工艺精度要求较高。
弹性压接器件主要由ABB公司生产，其通过引入碟簧来补偿加压过程中的压力不足并吸收材料热膨胀过程中的过应力，主要结构由发射极垫片、碟簧、银/铝垫片、钼片、焊有芯片的集电极板、门极引线板和铜盖板构成。
相比刚性压接器件，弹性压接器件降低了工艺精度要求，制造成本较低，同时保证了芯片表面压力均匀性，但芯片与集电极板通过焊料连接，在长期功率循环过程中存在焊料层脱落失效问题，且碟簧结构的引入导致其散热模式为单面散热，**了其在更高功率场合的应用。
新型压接型IGBT器件封装类型如图2所示。为提高压接器件中芯片与集电极钼层之间的电热接触性能进而提升器件整体性能，天津大学梅云辉等提出了纳米银烧结压接器件，如图2a所示，该封装结构采用纳米银焊膏将刚性压接器件中集电极钼片与IGBT芯片通过烧结工艺连接成整体，进而降低了接触热阻与接触电阻。
测试结果表明，纳米银烧结压接器件与刚性压接器件性能一致，但结壳热阻降低15.8%。同时，纳米银烧结封装结构提升了IGBT芯片表面压力分布均匀性，有利于提高器件整体电-热性能及可靠性。
图2 新型压接型IGBT器件封装类型
2019年，DYNEX公司提出了一种银烧结-刚性- 弹性压接相结合的混合压接封装器件，如图2b所示。在该封装结构中，采用碟簧取代刚性压接封装结构中的凸台，并利用纳米银焊膏将IGBT芯片与集电极钼片、发射极钼片连接成整体。该结构可进一步提升IGBT芯片表面压力分布均匀性，但存在单面散热能力较差的问题。
归纳总结上述四种压接封装结构性能及特点，见表1。
表1 压接型IGBT器件封装类型对比
本文编自2021年第12期《电工技术学报》，**标题为“压接型IGBT器件封装退化监测方法综述”，作者为李辉、刘人宽 等。
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