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高壓大容量絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊內(nèi)部異質(zhì)材料熱膨脹系數(shù)失配是模塊疲勞老化失效的主要機(jī)理。為了降低模塊異質(zhì)材料間熱膨脹系數(shù)的差異，提高其功率循環(huán)能力與長期運(yùn)行可靠性，新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、株洲中車時代電氣股份有限公司、株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司的研究人員劉國友、羅海輝、張鴻鑫、王彥剛、潘昭海，在2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出功率模塊采用全銅材料實(shí)線電學(xué)互連的思路，系統(tǒng)地研究了IGBT芯片銅金屬化、銅引線鍵合與銅母線端子超聲焊接等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IGBT功率模塊全銅化封裝的成套工藝，研發(fā)了基于全銅工藝的大容量高性能750A/6500V IGBT模塊，首次實(shí)現(xiàn)了全銅工藝的高壓模塊。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電氣化軌道交通裝備中負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)換的核心部件,高壓大容量IGBT模塊長期運(yùn)行可靠性對牽引變流器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。目前1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等級的高壓大容量IGBT模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用在“復(fù)興號”高鐵、“和諧號”電力機(jī)車牽引變流器中。隨著軌道交通高速、重載技術(shù)的發(fā)展和電力電子裝置綠色、智能要求的不斷提高，對大功率IGBT模塊的性能與可靠性提出了越來越高的要求，需要更高的功率密度、更高的工作溫度、更高的運(yùn)行可靠性來滿足新一代牽引動力的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝基于鋁金屬化與互連工藝，相應(yīng)的主流大功率IGBT模塊大都是沿用鋁工藝技術(shù)，如芯片表面鋁金屬化、芯片互連鋁引線鍵合、功率端子與陶瓷襯板焊片焊接等。由于功率模塊內(nèi)部異質(zhì)材料之間不可避免地存在熱膨脹系數(shù)失配，加上鋁材料熱膨脹系數(shù)較高，大功率模塊內(nèi)部因長期處于溫度循環(huán)和功率循環(huán)的沖擊而出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂、焊層退化現(xiàn)象，影響了模塊長期應(yīng)用的可靠性。功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的進(jìn)步很大程度上來源于材料與制造工藝的發(fā)展。銅金屬比鋁具有更優(yōu)良的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，有良好的抗電遷移能力和可靠性，可以通過物理氣相淀積（PVD）和電鍍工藝實(shí)現(xiàn)沉積。
如果將銅作為一種新型電極材料替代IGBT正面鋁金屬電極，可以降低IGBT模塊的功率損耗、提高模塊功率循環(huán)能力，成為高性能IGBT的一種技術(shù)發(fā)展趨勢。由于銅離子在芯片內(nèi)部是一種有害雜質(zhì)，以及工藝平臺兼容性等問題，阻礙了銅工藝在IGBT等功率器件制造中的應(yīng)用發(fā)展。大功率IGBT模塊封裝的可靠性，很大程度上取決于芯片之間的引線互連工藝可靠性水平，因?yàn)橐€材料及其鍵合點(diǎn)的可靠性直接決定了模塊應(yīng)用過程中的功率循環(huán)能力。采用銅引線取代傳統(tǒng)的鋁引線實(shí)現(xiàn)鍵合互連，相同線徑的銅引線載流能力可以提高70%，是IGBT技術(shù)發(fā)展方向，尤其是在軌道交通、電力系統(tǒng)等高端應(yīng)用領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)銅引線的互連，首先必須確保芯片表面的金屬化電極是銅，因此芯片銅金屬化是銅引線鍵合互連的基礎(chǔ)。新一代全銅工藝技術(shù)主要包含芯片銅金屬化、銅引線鍵合互連和模塊銅功率端子超聲焊接三部分技術(shù)。與封裝結(jié)構(gòu)相同的鋁工藝模塊相比，銅工藝模塊主要有兩方面的改進(jìn)內(nèi)容：首先是在芯片表面生長厚銅層，不僅有利于降低芯片通態(tài)損耗、改善散熱，同時還可以緩解銅引線鍵合過程中的沖擊力，提高鍵合點(diǎn)的可靠性；其次，芯片之間的銅引線鍵合互連，可以降低模塊寄生電阻損耗，減小鍵合引線自熱效應(yīng)的影響。Infineon公司提出了包括IGBT芯片銅金屬化、銅引線鍵合等新技術(shù)的.XT技術(shù)，通過應(yīng)用在中低壓模塊，對比說明了該技術(shù)可以在很大程度上提高模塊的使用效率及壽命。
圖1 750A/6 500V全銅IGBT模塊封裝工藝流程
圖2 全銅工藝750A/6 500V IGBT模塊SOA性能在整合上述先進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上，并基于先進(jìn)的8in(lin=0.025 4m)IGBT高壓芯片工藝平臺，新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、株洲中車的研究人員研發(fā)了銅金屬化IGBT/FRD（快恢復(fù)二極管）芯片和銅引線鍵合工藝，這是一種包括芯片銅金屬化、銅引線鍵合互連、銅端子超聲焊接的全銅工藝高壓大電流IGBT模塊技術(shù)。
圖3 750A/6 500V IGBT模塊的功率循環(huán)測試結(jié)果與傳統(tǒng)鋁工藝技術(shù)相比，銅工藝IGBT模塊具有更低的通態(tài)損耗、更高抗浪涌電流能力和更長功率循環(huán)壽命。全銅工藝模塊不僅使導(dǎo)通損耗降低了10%、浪涌電流能力提升了20％，而且功率循環(huán)能力提高了16倍，提升了功率模塊的運(yùn)行韌性與應(yīng)用可靠性。
圖4 750A/6 500V IGBT模塊HTGB/HTRB試驗(yàn)前后結(jié)果比較在此基礎(chǔ)上，他們首次研制出了基于全銅工藝的750A/6500V高性能IGBT模塊，并將其性能、溫度循環(huán)和功率循環(huán)能力提高到一個新的水平，并具有優(yōu)良的動/靜態(tài)特性和高可靠性，滿足了新一代牽引變流器的應(yīng)用需求，有望推廣到柔性直流輸電等高端應(yīng)用領(lǐng)域。以上研究成果發(fā)表在2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于全銅工藝的750A/6500V高性能IGBT模塊”，作者為劉國友、羅海輝、張鴻鑫、王彥剛、潘昭海。
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