半導體模塊的結(jié)構(gòu)特點及特殊設計要求

摘要：通過對電力半導體模塊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)展，它是現(xiàn)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(yōu)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(shù)或自行開發(fā)。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(chǎn)的產(chǎn)品在技術(shù)指標和質(zhì)量上存在很大的差異，特別是國內(nèi)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(jié)構(gòu)進行介紹。

2 電力半導體模塊的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，為雙面散熱；200A以下的器件采用螺栓式焊接或壓接結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)境之間的熱阻；

R_jc為模塊的結(jié)殼熱阻；

R_ca為模塊外殼與環(huán)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(huán)境溫度；

P為器件的通態(tài)耗散功率；

V_TM為器件的通態(tài)峰值壓降；

I_AV為額定通態(tài)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)，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。