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基于增强绝缘和导热性能的新型IMB的1700V-IGBT模块与IPM

 基于增强绝缘和导热性能的新型IMB1700V-IGBT模块与IPM

上海合美电子科技有限公司

 

三菱电机功率器件制作所

1、引言

在电力电子应用中,用于功率变换的功率器件已经广泛应用于诸如电机控制、风力发电和UPS等各种领域。近年来,为应对电力电子系统对空间和重量的要求,功率模块小型化的研究已经取得很大进展[1]。由于功率模块小型化过程中功率芯片的电流密度会增加,因此需要提高模块的导热性能。此外,随着功率器件工作电压的提高,用于散热与绝缘的绝缘散结构起着重要的作用。

为了满足上述要求,IMB已经被引入功率模块的设计中[1]。 然而,如果将传统IMB用于1700V功率模块中,则需增加其树脂绝缘层的厚度,从而使其热阻变得很大。为此,三菱电机开发了一种具有高导热性和高绝缘性能的新型IMB,并将其应用在三菱电机第71700VIGBT模块和IPM中。

 

2 高导热性及高绝缘性的新型IMB

2.1 传统IMB的优缺点

 

功率模块的绝缘结构中通常会采用Al2O3作为衬底材料,而我们采用了高导热性的氮化铝(AlN)作为衬底,其热阻比Al2O3衬底小35%,如图1所示。然而进一步提高陶瓷材料的导热系数非常困难,而且陶瓷和金属间的热膨胀系数(CTE)不匹配会导致两种材料间的表面产生应力。材料的具体CTE如表1所示。因此,具有更低热阻的薄陶瓷可能会因热应力遭受损伤

另一方面,IMB结构具有陶瓷基板所不具有的优点。当IMB中树脂绝缘层的CTE设计得与金属的CTE相近,从而CTE不匹配所导致的应力将大幅降低。因此,树脂绝缘层可以比陶瓷基板的厚度更薄,而IMB中的金属层可以更厚。而厚金属层可以取代底板,从而可以去除基板下方的焊接层,这样可改善热阻和热循环性能[3]。 此外,由于树脂绝缘层的柔韧性更好,IMB尺寸也可以比陶瓷基板更大,所以可以通过去除基板之间的绑定连线并消除布线敷铜来实现更高的安装密度。

此外,IMB的热传导路径取决于树脂绝缘层中陶瓷微粒的传导,因此,与陶瓷基板相比,其导热系数相对较低。为了使IMB满足1700V模块所要求的高绝缘电压,树脂绝缘层的厚度要比1200V模块的更厚。此时需改善树脂绝缘层的导热性能并降低模块的热阻。

 

 

2.2 IMB性能的改善

 

为了提高树脂绝缘层的导热性能,需要增加热传导路径的面积、提高陶瓷微粒的比例或者提高树脂的导热系数。特别是在增加陶瓷微粒数量而减少树脂含量时,为消除气泡所需的压力会由于流动性的降低而增加。如果粉末体积浓度超过临界粉末体积浓度,由于颗粒之间留有气泡,则会导致介电击穿电压和导热系数的降低。因此,我们优化了粉末微粒和树脂材料及其比例分配,以减少气泡并在压注行程绝缘片时保持高流动性和适当压力。这样可以有效地消除空洞,并增加树脂绝缘层中的微粒填充,从而提高导热性能和耐压特性。

如图2所示,树脂绝缘层热阻的测量结果取决于IMB中该层的厚度。与传统的IMB相比,这一层的热阻改善了约35%,也意味着其导热性能提升了50%。新型IMB的局部放电起始电压(PDIV)与传统IMB有着几乎相同的厚度依赖性。三菱电机所提出的新型IMB已经被证实具有与传统IMB相同的PDIV特性,同时提高了导热性能。

 

 

 

3.  采用新型IMB的第71700V IGBT模块和IPM

 

如上所述,所提出的新型IMB具有优异的导热性能和绝缘性能,因此其可以应用于传统IMB所无法实现的场合中,如需要至少4000V高绝缘耐压的1700V IGBT模块。可以通过增加用于第71700V IGBT模块的新型IMB树脂绝缘层厚度来满足模块对绝缘耐压的要求。通过增强新型IMB的相关特性,可以在满足绝缘耐压要求的同时具有与传统IMB相同的热阻。

另一方面,用于具有额定电压650~1200V IPM的新型IMB则是通过另一种方式进行优化。 由于IPM经常在诸如伺服驱动器的电机堵转等恶劣条件下工作,因此要求IPM的封装具有很高的导热特性。因此,用于第7IPM的新型IMB专门采用了低热阻设计。表2给出了新型IMB和传统IMB的特性比较。通过评价验证,1700V等级的新型IMB的热阻比传统IMB优化了大约5%。然而,仿真结果表明,用于650~1200V IPM的新型IMB比传统IMB改善了20%。图3给出了采用新型IMB1700VIGBT模块和1200V IPM的外观图。

 

此外,通过采用优化特性的第7 IGBT和新的RFC二极管[24],减少了模块本身的损耗。与传统1700VIGBT模块相比,采用RFC二极管能够抑制二极管的刚性关断带来的振荡。因此,第7代芯片和新型 IMB结构相结合使模块的电流密度得到大幅提高,进而使 IGBT 模块和 IPM 的尺寸变得更小。如图 3 所示,与采用传统陶瓷衬底结构的同规格模块的相比,采用新型IMB1700V IGBTIPM的尺寸分别减少了49%55%。新型 IMB与被称为SLC技术的树脂直接灌封工艺相结合,能够抑制绑定线与硅片间的机械应力,从而提高了模块的功率循环次数[3]。采用SLC技术的模块剖面图如图4所示。此外,由于焊接层的减少,新型 IMB的热循环能力也优于陶瓷基板。由上可知,新型IMB非常适合相关的应用。

 

 

 

4  结论

 

三菱电机开发了兼顾高绝缘性能与高导热系数的新型 IMB。这是通过优化IMB中绝缘树脂层来实现的,包括增加陶瓷微粒比例、优化粉末颗粒和树脂材料及其比例分配,以及控制绝缘层压注成型时压力。新型IMB中树脂绝缘层的导热性能相比传统IMB优化了约 50%。因此,新型IMB不仅能够适用于更高绝缘耐压要求的第71700V IGBT模块和更低热阻要求的IPM,而且与第7IGBT芯片和二极管芯片组合后,将模块的封装尺寸大幅减小了高达55%。 此外,将新型IMB与树脂直接灌封工艺相结合,提升了模块的可靠性。综上所述,这种新型IMB可以广泛地用于功率模块中,并有助于电力电子技术的发展。

 

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