Новые высокоэффективные и высоконадежные силовые модули IGBT

В последние годы было разработано множество различных концепций построения корпусов силовых модулей. Однако одно из важнейших требований рынка — сохранение совместимости со стандартными типами корпусов. Есть несколько причин для возникновения этих требований. Во-первых, потребитель может использовать новый силовой модуль без дополнительных доработок конструкции. Во-вторых, при замене модулей на существующих изделиях необходима механическая совместимость. В-третьих, большое число потребителей хотят использовать силовые модули в стандартных корпусах, даже для новых разработок, потому что уже имеют данные о надежности конструкции в этих корпусах.

Улучшенные электрические характеристики

Третье поколение IGBT, например стандартные силовые модули Н серии, имеют планарную структуру затвора. Эта структура показана на рис. 2.

Эта обычная структура состоит из четырех основных резистивных составляющих: MOS-канала, JFET, n-слоя и PN-перехода. Падение напряжения на JFET и n-слое составляет более 50% общего напряжения насыщения коллектор-эмиттер (Vce(sat)). Поэтому было решено уменьшить падение напряжения JFET и n-слоя. В результате была разработана новая технология кристалла IGBT, названная CSTBT. В серии NF используется новый кристалл, созданный по технологии CSTBT, что дает заметное снижение напряжения насыщения. Ключевые составляющие технологии CSTBT — это пазовый затвор (trench gate) и слой накопления носителей (carrier stored layer) (рис. 1).

Рис. 1. Структура CSTBT

Остановимся подробнее на основных отличиях CSTBT-технологии. Во-первых, ток, протекающий через достаточно узкую область JFET в планарной технологии, вызывает падение напряжения на ней. В технологии CSTBT область JFET полностью удалена за счет пазовой структуры затвора (by trench gate structure). Теперь ток может проходить непосредственно из области MOS-канала в область n-слоя. В результате в кристалле по технологии CSTBT отсутствует падение напряжения на JFET-области.

Во-вторых, ток через сопротивление n-слоя вызывает падение напряжения на n-слое. Для этого необходимо увеличить плотность носителей заряда в n-слое, таким образом уменьшая его сопротивление. Однако реальная плотность носителей в n-слое имеет локальное распределение: со стороны коллектора плотность носителей выше, а со стороны эмиттера— ниже. Основное падение напряжения в n-слое определяется локальной областью со стороны эмиттера. Следовательно, наиболее эффективным решением является увеличение плотности носителей в локальной области эмиттера в n-слое для снижения падения напряжения в данном слое. Новый слой накопления носителей заряда (carrier stored layer) расположен вблизи эмиттерной локальной области n-слоя, как показано на рис. 1. Слой накопления носителей действует как «водяная дамба» (water dam), перехватывая движущиеся заряды. Таким образом, плотность носителей заряда со стороны эмиттера в n-слое увеличивается, общее сопротивление n-слоя уменьшается и падение напряжения на n-слое снижается.

Рис. 2. Структура планарного IGBT

В результате в изделии, выполненном по CSTBT-технологии, напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Vce(sat)) может снизится на 70% по сравнению с изделиями H серии IGBT при той же плотности тока. Кроме того, увеличение количества носителей в n-слое позволяет транзистору быстрее включаться за счет слоя накопления заряда. Итак, технология CSTBT позволяет снизить не только статические потери, но и потери на переключение, как показано на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Сравнение напряжения насыщения. Условия: I_вых = 140 А, cos φ = 0.8, f = 10 кГц, Т_крист. = 125 °С

Рис. 4. Сравнение потерь в инверторе

Улучшенная структура корпуса

Корпус NF-серии полностью совместим по выводам с обычной серией Н. Однако внутренняя структура серии NF улучшена по сравнению с серией H. Сравнение габаритных размеров серий NF и H показаны на рис. 5. Сравнение внутренних структур представлены на рис. 6а и 6б.

Рис. 5. Сравнение габаритных размеров (размеры в мм)

Рис. 6.
а) Внутренняя структура серии NF;
б) внутренняя структура серии Н

Основные отличия:

• силовые выводы в серии NF соединяются непосредственно с кремниевым кристаллом с помощью алюминиевых проводников. Таким образом, в серии NF при сборке применяется только один процесс пайки, то есть можно выбрать наилучшее паяное соединение для большей надежности;
• силовые выводы серии NF жестко зафиксированы в прочном пластиковом корпусе. Таким образом, серия NF не имеет эпоксидного компаунда, содержащего вредные для окружающей среды частицы.

Повышение надежности

Электрические потери в силовых модулях присущи всем типам модулей. Надежность модуля, особенно в силовых применениях, определяется тепловыми нагрузками. Эти нагрузки вызваны различиями тепловых коэффициентов расширения материалов, применяемых в силовых модулях IGBT. В силовом модуле имеются три области, чувствительные к тепловым нагрузкам: первая область — площадка контакта алюминиевого проводника с кремниевым кристаллом. На рис. 7 это называется «точка контакта». Вторая область — паяное соединение между кремниевым кристаллом и керамической подложкой. На рис. 7 это обозначается как «Пайка-а». Третья область — это паяное соединение между керамической подложкой и медным основанием. На рис. 7 это обозначается как «Пайка-б». Есть сильная зависимость между этими чувствительными к тепловым напряжениям областями и сроком эксплуатации реального силового модуля. Реальные изменения в процессе работы силового модуля, вызванные температурными нагрузками, определяются тремя циклами: а) энергетическим; б) термоусталостным; в) температурным.

Рис. 7. Внутреннее поперечное сечение и усталостные точки

Энергетические циклы (a) определяются периодическими изменениями температуры кристалла (Tj) в течение короткого времени. Изменения Tj могут быть вызваны изменениями электрической нагрузки, например, изменением нагрузки мотора между максимальным и минимальным значениями. Другая причина энергетических циклов — низкая рабочая частота инвертора. Типичным признаком энергетических циклов является то, что температура кристалла периодически изменяется, а температура основания остается фактически неизменной. Этот режим показан на рис. 8. Термоусталостный цикл вызван изменениями температуры корпуса (Tc). Период цикла зависит от тепловой постоянной времени системы охлаждения и изменениями электрической нагрузки, определяемыми работой всей системы в целом. Этот режим также изображен на рис. 8. Причина энергетических и термоусталостных циклов — электрическая мощность, рассеиваемая непосредственно в IGBT силовом модуле. В противоположность предыдущим циклам, под температурными циклами (в) подразумевается изменение температуры, вызванное воздействием внешних факторов. Это может быть связано с изменением окружающей температуры. Ежедневное и сезонное изменение или нагрев и охлаждение от другой аппаратуры, расположенной вблизи модуля, приводят к изменениям окружающей температуры. Так как причины, вызывающие температурные циклы, находятся вне силового модуля, температуры Tc и Tj изменяются по закону, показанному на рис. 9. Серия NF более устойчива к воздействию температурных нагрузок по сравнению со стандартной серией H. Детальное описание методов улучшения приводится ниже.

Рис. 8. Зависимость энергетических циклов и термоусталостных циклов от времени

Рис. 9. Температурные циклы

Улучшение устойчивости к энергетическим циклам

Как указывалось выше, тепловые нагрузки вызваны различиями тепловых коэффициентов расширения материалов, когда циклически изменяется температура кристалла. В таблице приводятся температурные коэффициенты расширения материалов, применяемых фирмой Mitsubishi Electric для производства силовых модулей IGBT.

Таблица. Тепловой коэффициент расширения (С.Т.Е)

В ходе экспериментальных проверок и исследований было определено, что критическая усталость от энергетических циклов определяется наличием трещины в точке соединения алюминиевого провода и кристалла. Следовательно, чтобы увеличить сопротивляемость энергетическим циклам, необходимо увеличить прочность слоя соединения провода и кристалла. Решением данной проблемы является поддержание одинаковой прочности соединения по всей поверхности контакта. Однако такое техническое решение возможно лишь на специальной поверхности IGBT кристалла, которая получена в новом поколении CSTBT-кристаллов. Применяя эту новую технологию в NF-серии, специалисты получили большую устойчивость к энергетическим циклам по сравнению со стандартной серией H.

Улучшение устойчивости к термоусталостным и температурным циклам

Типичные показатели воздействия термоусталостных циклов и температурных циклов — горизонтальные трещины в области «Пайка-б» (рис. 7). Таким образом, для увеличения продолжительности работы при воздействии термоусталостных и температурных циклов необходимо увеличить прочность области «Пайка-б» (рис. 7). С помощью увеличения толщины пайки достигается необходимый результат. Отношение толщины пайки к деформации в области «Пайка-б» в относительных величинах показано на рис. 10. (Деформации и тепловое сопротивление нормализованы относительно толщины пайки 200 μм.)

Рис. 10. Зависимость деформации, теплового сопротивления от толщины пайки

Как видно из графика (рис. 10), толщина пайки должна быть не менее 200 μм для контроля деформации. В то же время с увеличением толщины пайки растет тепловое сопротивление. Наиболее оптимальное значение толщины пайки равно 200 μм. Так как толщина пайки пропорциональна количеству припоя, то толщиной пайки можно управлять, изменяя количество припоя в процессе сборки. Однако реальная толщина слоя «Пайка-б» не всегда однородна по всему слою из-за возможного наклона подложки, как показано на рис. 11.

Рис. 11. Обычная структура (слой «Пайка-б» имеет наклон)

Контроль толщины пайки

Поддержание однородной толщины пайки в массовом производстве очень трудная задача. В серии NF эта проблема решена с помощью новой технологии [3]. Новая технология проволочного упора позволяет в слое «Пайка-б» равномерно распределять припой по всей поверхности контакта, как показано на рис. 12. Достоинство новой технологии — относительная простота применения в производстве. В результате серия NF имеет хорошую теплопроводность и отличную надежность при термоусталостных и температурных циклах.

Рис. 12. Новая структура с использованием технологии проволочного упора

На рис. 13 показана устойчивость к термоусталостным циклам. Продолжительность работы при одинаковых термоусталостных циклах у серии NF примерно в 10 раз выше, чем у стандартной серии H.

Рис. 13. Термоусталостные циклы

Заключение

В данной статье рассмотрено новое поколение IGBT силовых модулей серии NF. Новая серия NF обеспечивает отличные электрические характеристики благодаря новой технологии изготовления кристалла CSTBT и отличные характеристики надежности благодаря новой технологии корпусирования изделий.