图1 中车时代电气 3600A/4500V 压接型IGBT模块
1、压接型IGBT的优势特点
压接型IGBT的设计理念来源于常规晶闸管、IGCT等器件，它将其中的整晶圆管芯更换成多个IGBT或FRD芯片，并通过压力分别链接到上下电极。压接型IGBT在外形上与晶闸管等器件类似，但是内部通过并联众多被称为“子单元”的部件来实现功率容量，芯片与电极之间的电气连接时，不采取常规引线或焊接的方式，而是通过压力实现。
图2 中车时代电气 压接型IGBT器件结构
焊接型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。
图3 焊接型和压接型封装IGBT功率模块性能雷达图
压接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-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。相比焊接型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。
2、压接型IGBT器件封装结构
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，根据封装结构主要可分为刚性压接器件与弹性压接器件。
图4 刚性压接型IGBT器件封装类型
刚性压接器件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。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。
图5 弹性压接型IGBT器件封装类型
弹性压接器件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，限制了其在更高功率场合的应用。弹性压接IGBT器件生产商主要有ABB公司。
图6 ABB 压接式IGBT器件StakPak 结构
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7a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7 银烧结压接型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7b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。
表1 压接型IGBT器件封装类型对比
资料来源：
压接型IGBT器件封装退化监测方法综述，李 辉 刘人宽 王 晓，等；
大功率压接式IGBT器件设计与关键技术，窦泽春 刘国友 陈俊，等。
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：压接型IGBT器件的封装结构及特性