半導體模塊的結構特點及特殊設計要求

摘要：通過對電力半導體模塊結構的介紹，以及對其主要原材料性能的分析，進一步闡述了各主要結構材料對電力半導體模塊性能的影響。

關鍵詞：電力半導體；模塊；質量差異

1 引言

電力半導體模塊是分立半導體器件的進一步發展，它是現代電力電子設備的主要器件。由于它具有體積小，外殼與電極絕緣，可靠性高，安裝方便等優點，因此，在國外得到了廣泛的應用。近十幾年來在我國也迅速地得到推廣應用，并且已有很多廠家引進了制造技術或自行開發。但由于各廠家對模塊的設計和工藝了解程度的不同，導致生產的產品在技術指標和質量上存在很大的差異，特別是國內還存在著模塊電流越做越大的趨勢，嚴重地誤導了用戶的使用，因此，為了確保電力電子設備的性能，有必要對電力半導體模塊的結構進行介紹。

2 電力半導體模塊的結構特點

電力半導體模塊是將多只半導體芯片按一定的電路結構封裝在一起的器件。它具有體積小，外殼與電極絕緣的特點，因此，可以將多只模塊放在同一塊散熱器上，以縮小電力半導體整機的體積。

通常，200A以上的分立式電力半導體器件采用平板式壓接結構，為雙面散熱；200A以下的器件采用螺栓式焊接或壓接結構，為單面散熱。

電力半導體模塊和分立式電力半導體器件一樣，也具有焊接和壓接兩種結構形式，如圖1所示。它與分立式半導體器件所不同的是它的電極與外殼絕緣，并且壓接式模塊也是采用單面散熱。

(a)模塊 (b)螺栓元件 (c)平板元件

圖1 電力半導體器件結構圖

電力半導體器件的熱阻與功耗的關系如式（1），式（2）所示。

R_ja==R_jc＋R_ca=R_jc＋R_cs＋R_sa（1）

P=0.785V_TMI_AV＋0.215V_T0I_AV（2）

式中：R_ja為模塊芯片與環境之間的熱阻；

R_jc為模塊的結殼熱阻；

R_ca為模塊外殼與環境之間的熱阻；

R_cs為模塊外殼與散熱器之間的接觸熱阻；

R_sa為散熱器的熱阻；

T_j為模塊芯片的溫度；

T_a為模塊的使用環境溫度；

P為器件的通態耗散功率；

V_TM為器件的通態峰值壓降；

I_AV為額定通態平均電流；

V_T0為器件的門檻電壓。

由于模塊采用絕緣的陶瓷片和單面散熱結構，增加了熱阻，導致在同等芯片尺寸和同等散熱條件下，模塊的電流容量降低了，因此，對模塊的結構設計和材料選取也另有特殊的要求。

3 模塊常用絕緣材料的的特點及選取

模塊外殼基板與電極絕緣，同時還要利用外殼散熱，因此，要求其基板和電極之間的絕緣材料不但應具有良好的絕緣性能（絕緣電壓≥2500VRMS），而且要具有良好的導熱性能，以及耐高溫（>150℃），并有良好的機械性能，熱膨脹系數，抗壓性能等。常用作組裝模塊用的絕緣材料有，Al₂O₃、BeO、AlN及DCB瓷片等。其性能見表1。