本文主要介紹了一種具有高導(dǎo)熱性和絕緣性的增強(qiáng)型模塊絕緣技術(shù)IMB，及其在IGBT模塊和IPM中的應(yīng)用。通過優(yōu)化粉末顆粒和樹脂材料，新型IMB與傳統(tǒng)IMB相比，將絕緣樹脂層的導(dǎo)熱率提高了約50%。厚度優(yōu)化實現(xiàn)了耐熱性和絕緣能力的最佳平衡。這是第一個針對1700V模塊的IMB解決方案，要求高散熱和絕緣。它也適用于IPM應(yīng)用，我們已經(jīng)成功確認(rèn)了適用于這些應(yīng)用的新型IMB的耐熱性和絕緣能力。
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在電力電子中功率器件負(fù)責(zé)功率轉(zhuǎn)換，用于電機(jī)控制、風(fēng)力發(fā)電和UPS等各種應(yīng)用。近年來，針對系統(tǒng)空間和輕量化的要求，功率模塊小型化的研究不斷取得進(jìn)展。由于小型化時功率模塊的芯片電流密度增加，因此需要提高模塊的散熱。此外，由于功率器件的工作電壓很高，因此負(fù)責(zé)散熱和絕緣的絕緣結(jié)構(gòu)起著重要作用。
為了滿足上述要求，引入了IMB。如果將這種傳統(tǒng)的IMB應(yīng)用于高壓1700V模塊，由于需要增加絕緣樹脂層的厚度，熱阻變得太大。因此，我們需要開發(fā)一種同時具有高導(dǎo)熱和絕緣能力的新型IMB，并將其應(yīng)用于第7代1700V IGBT模塊和IPM。
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一般而言，AI2O3陶瓷基板多用于功率模塊的絕緣結(jié)構(gòu)。我們采用了具有高熱導(dǎo)率的氮化鋁（AIN）基板，其熱阻比氧化鋁（AI2O3）基板小35%。然而，很難提高陶瓷的熱導(dǎo)率。此外，陶瓷和金屬之間的表面應(yīng)力是由于這些材料之間的CTE（熱膨脹系數(shù)）不匹配而產(chǎn)生的。因此，具有更好耐熱性的較薄陶瓷可能會在熱分布中受到損壞。
另一方面，IMB結(jié)構(gòu)具有陶瓷基板所不具備的優(yōu)點。當(dāng)IMB的絕緣樹脂層的CTE設(shè)計成與金屬的CTE時，CTE不匹配引起的應(yīng)力就會降低。因此，絕緣樹脂層的厚度可以比陶瓷基板的厚度薄，而金屬層的厚度可以更厚。由于厚金屬層可以替代基板，因此可以消除基板下方的焊料層。因此，可以提高熱阻和熱循環(huán)能力。此外，由于絕緣樹脂層具有柔韌性，IMB尺寸可以比陶瓷基板更大。
但是，IMB的熱傳導(dǎo)路徑依賴于陶瓷顆粒在絕緣樹脂層中的接觸，與陶瓷基板相比，熱導(dǎo)率相對較低。為了將IMB應(yīng)用于1700V模塊所需的高絕緣電壓，絕緣樹脂層的厚度要大于1200V模塊的厚度。因此，需要提高絕緣樹脂層的導(dǎo)熱性，降低模塊的熱阻。
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要實現(xiàn)導(dǎo)熱性的提高，需要增加導(dǎo)熱通路的面積，即陶瓷顆粒的比例或者提高樹脂的導(dǎo)熱性。特別是由于樹脂量在增加顆粒量時會收縮，因此去除空隙所需的壓力會因流動性降低而增加。如果粉體體積濃度超過臨界粉體體積濃度，由于顆粒間會留下空隙，導(dǎo)致介電擊穿電壓和熱導(dǎo)率下降。因此，優(yōu)化了粉末顆粒和樹脂的材料以及粉末尺寸的分布，以減少空隙并在片材成型時保持高流動性和壓力。
因此，圖2顯示了絕緣樹脂層的熱阻測量結(jié)果取決于IMB的厚度。與傳統(tǒng)的IMB相比，該層的熱阻提高了約35%，這意味著該層的熱導(dǎo)率提高了50%。新IMB的局部放電起始電壓?(PDIV)顯示出與傳統(tǒng)IMB幾乎相同的厚度依賴性。因此，已證實所提出的IMB在提高熱導(dǎo)率的同時具有等效的PDIV特性。
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絕緣層厚度圖2提出的和傳統(tǒng)的IMB 3-7代1700V-IGBT模塊和IPM與提出的IMB的絕緣樹脂層的熱阻測量結(jié)果如上所述，提出的IMB具有優(yōu)異的熱阻和絕緣性能，因此可以應(yīng)用于傳統(tǒng)IMB無法實現(xiàn)的應(yīng)用。1700V IGBT模塊需要至少4000V的高隔離電壓。因此，第7代 1700V IGBT模塊的新型IMB的隔離層厚度應(yīng)增加以滿足所需的隔離電壓。通過新IMB的增強(qiáng)特性，可以在滿足隔離電壓要求的同時具有與傳統(tǒng)IMB等效的熱阻。
另一方面，針對額定電壓為 650-1200V 的IPM的新IMB以另一種方式進(jìn)行了優(yōu)化。由于IPM經(jīng)常在伺服放大器中的鎖定模式操作等硬操作條件下使用，因此強(qiáng)烈要求IPM封裝具有高散熱特性。因此，第7代IPM的新IMB專為低熱阻而設(shè)計。表2顯示了建議的和傳統(tǒng)的IMB特性的總結(jié)。經(jīng)評估證實，新型IMB在1700V的熱阻比傳統(tǒng)IMB提高了約5%，仿真結(jié)果顯示，650-1200V的新型IMB比傳統(tǒng)IMB提高了20%。圖3顯示了所提出的 1700V-IGBT 模塊和 IPM 的概要結(jié)構(gòu)。
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此外，通過引入具有優(yōu)化特性的第7代IGBT和陰極松弛場（RFC）-平面陽極二極管[2,4]，降低了模塊本身的損耗。與傳統(tǒng)的1700V模塊相比，RFC二極管抑制了快速關(guān)斷行為。因此，第7代芯片和建議的IMB結(jié)構(gòu)的組合使我們能夠增加模塊的電流密度。這意味著這種組合可以使IGBT模塊和IPM的尺寸更小。如圖3所示，與傳統(tǒng)陶瓷結(jié)構(gòu)相比，1700V-IGBT 的尺寸減小了49%，IPM的尺寸減小了55%。通過將新型IMB 與名為 SoLid Cover技術(shù)(SLC)的樹脂封裝工藝相結(jié)合如圖4所示，由于引線鍵合應(yīng)力受到抑制，功率循環(huán)壽命得以延長。此外，由于IMB結(jié)構(gòu)，新型IMB的熱循環(huán)能力優(yōu)于陶瓷基板。可以看出，所提出的IMB非常適合各自的應(yīng)用。
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以上就是所介紹一種新的IMB金屬化陶瓷基板，它在保持絕緣性能的同時實現(xiàn)了高導(dǎo)熱性。它是通過對IMB絕緣樹脂層的優(yōu)化來實現(xiàn)的，即增加陶瓷顆粒的比例，優(yōu)化粉末顆粒和樹脂材料，其尺寸分布和片材成型的壓力。結(jié)果，絕緣樹脂層的熱導(dǎo)率與傳統(tǒng)的IMB相比提高了大約50%。
因此，我們能夠?qū)⑵溥m配到要求更高絕緣電壓的第7代1700V IGBT模塊和對低熱阻有強(qiáng)烈要求的IPM上。它不僅有助于滿足此類應(yīng)用的要求，而且與第7代相結(jié)合，有助于將模塊尺寸減小55% IGBT和二極管。此外，通過將新的IMB與樹脂封裝相結(jié)合，實現(xiàn)了高可靠性。所提出的 IMB 可廣泛用于功率模塊，并有助于電力電子的發(fā)展。
原文始發(fā)于微信公眾號（展至科技）：一種新的絕緣金屬化陶瓷基板（IMB），具有增強(qiáng)的隔離特性和導(dǎo)熱性
