半导体模块的结构特点及特殊设计要求

摘要：通过对电力半导体模块结构的介绍，以及对其主要原材料性能的分析，进一步阐述了各主要结构材料对电力半导体模块性能的影响。

关键词：电力半导体；模块；质量差异

1    引言

    电力半导体模块是分立半导体器件的进一步发展，它是现代电力电子设备的主要器件。由于它具有体积小，外壳与电极绝缘，可靠性高，安装方便等优点，因此，在国外得到了广泛的应用。近十几年来在我国也迅速地得到推广应用，并且已有很多厂家引进了制造技术或自行开发。但由于各厂家对模块的设计和工艺了解程度的不同，导致生产的产品在技术指标和质量上存在很大的差异，特别是国内还存在着模块电流越做越大的趋势，严重地误导了用户的使用，因此，为了确保电力电子设备的性能，有必要对电力半导体模块的结构进行介绍。

2    电力半导体模块的结构特点

    电力半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。它具有体积小，外壳与电极绝缘的特点，因此，可以将多只模块放在同一块散热器上，以缩小电力半导体整机的体积。

    通常，200A以上的分立式电力半导体器件采用平板式压接结构，为双面散热；200A以下的器件采用螺栓式焊接或压接结构，为单面散热。

    电力半导体模块和分立式电力半导体器件一样，也具有焊接和压接两种结构形式，如图1所示。它与分立式半导体器件所不同的是它的电极与外壳绝缘，并且压接式模块也是采用单面散热。

(a)模块           (b)螺栓元件         (c)平板元件

图1    电力半导体器件结构图

    电力半导体器件的热阻与功耗的关系如式（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为模块芯片与环境之间的热阻；

      R_jc为模块的结壳热阻；

      R_ca为模块外壳与环境之间的热阻；

      R_cs为模块外壳与散热器之间的接触热阻；

      R_sa为散热器的热阻；

      T_j为模块芯片的温度；

      T_a为模块的使用环境温度；

      P为器件的通态耗散功率；

      V_TM为器件的通态峰值压降；

      I_AV为额定通态平均电流；

      V_T0为器件的门槛电压。

    由于模块采用绝缘的陶瓷片和单面散热结构，增加了热阻，导致在同等芯片尺寸和同等散热条件下，模块的电流容量降低了，因此，对模块的结构设计和材料选取也另有特殊的要求。

3    模块常用绝缘材料的的特点及选取

    模块外壳基板与电极绝缘，同时还要利用外壳散热，因此，要求其基板和电极之间的绝缘材料不但应具有良好的绝缘性能（绝缘电压≥2500VRMS），而且要具有良好的导热性能，以及耐高温（>150℃），并有良好的机械性能，热膨胀系数，抗压性能等。常用作组装模块用的绝缘材料有，Al₂O₃、BeO、AlN及DCB瓷片等。其性能见表1。

表1    模块常用绝缘材料及其特点

    BeO作为绝缘导热材料早期广泛应用于压接式模块，是4种材料中热导率最高的材料，但由于它具有毒性，而且价格较贵，故现在很少采用。

    高性能AlN的热导率接近于BeO，作为取代BeO的优选材料，现广泛应用于压接式电力半导体模块中。

    DCB瓷片是通过特殊的工艺将铜箔烧在陶瓷基片上（常用的陶瓷基片材料为Al₂O₃）上。它的特点是热膨胀系数与硅片接近，利用它制作小电流模块时可以节省玻璃钝化芯片的下钼片，不仅减少了材料，同时还降低了材料的热阻和接触热阻，因此，它广泛应用于焊接式模块中。

    综上所述，可用于模块中的绝缘导热材料的性能有很大的差异，因此，采用不同的绝缘材料组装的同一结构的模块，其热学性能就会有很大的差异，从而导致允许通过的电流容量不同。所以，为了保证模块的性能，现在国际上通常在焊接式模块中采用DCB瓷片，压接式模块中采用AlN瓷片作为绝缘导热材料。

4    芯片的要求

    由于模块化是将多只芯片封装在一只外壳内，因此要求其性能要尽可能地保持一致。

    采用陶瓷片虽然解决了绝缘问题，但其导热性能不怎么理想，就是导热性最好的材料BeO的热导率与铜的热导率相比也差很多，所以，模块的热阻比分立式半导体器件的大很多，而模块又是采用单面散热，因此，只能通过增大芯片的面积或降低芯片的功耗来弥补其缺点。这就要求模块芯片的通态压降要尽可能的低才能满足要求。

5    选用模块需要注意的事项

    不同厂家生产的模块因其设计和工艺的不同，其产品的技术指标会有很大的差别，特别是一些不具备设计能力和检验手段的小厂，其生产的模块的质量更是无法保证，因此，在选用时需要特别注意以下几点。

    1）绝缘材料的选取

    由于不同绝缘材料的热导率有很大的差别，其价格也相差很大，因此，导致不同厂家生产的同一外型结构的模块，其实际允许通过的电流容量存在很大的差异。

    2）芯片的选取

    为了保证模块达到额定电流的容量，首先，要保证芯片的通态压降；其次，要保证芯片的电流密度，即芯片的直径。芯片是密封在外壳内的，直径是无法看到的，只有通过测试通态压降等参数才能了解芯片的性能。

    3）焊接模块的焊接孔洞

    影响焊接模块质量的主要因素是模块的焊接质量，特别是焊接孔洞和虚焊的发生，将严重影响产品的导热和导电性能。其产生的主要原因是焊接过程中助焊剂产生的气泡没有排出去，残留在焊接面内，形成孔洞；或者在焊接前对焊接面的清洗不净，导致虚焊等。

    4）模块基板的形状与接触热阻

    模块的热量要通过模块的基板传导出去，因此，模块基板与散热器接触的好坏，即模块基板与散热器的接触热阻，直接影响模块的散热效果；焊接模块在生产过程中如果工艺不合理，其模块的基板通常会产生中间向上凹的现象，因此，当将模块固定在散热器上时，模块的中间部分不能与散热器和很好接触，使散热器不能充分发挥作用，导致模块无法通过额定电流，通过很小的电流就会烧毁。

    5）模块电流容量的误区

    目前，国外商品化的臂对式晶闸管模块最大的仅有500A，整流管模块最大的为700A，而国内模块有越做越大的趋势，甚至做到几千A。从热学上考虑，由于模块是单面散热，若模块的电流容量做得过大，其消耗的功率必将增大，当模块的电流容量达到一定的数值时，需要模块及散热器的热阻非常小，这采用常规的散热方法是无法达到的；特别是对于大电流模块，用于散热的基板面积很大，要保证模块基板的整个平面与散热器具有良好的接触单靠模块的几个紧固螺栓是很难达到的，如若接触不良或局部接触不上，模块与散热器的接触热阻将增加几倍或几十倍以上，模块电流容量将大大下降。所以，某些模块虽然标称几千A，而在实际应用中是很难达到其标称额定电流容量的，因此，模块并不是电流越大越好。