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除了陶瓷基板,IGBT模塊還有哪些主要材料?(實物圖)

20 2023-06-12
陶瓷基板

IGBT是一種新型的電力電子器件,其基本結構是在晶體管的基極和發(fā)射極之間加入絕緣層以及一個控制電極。IGBT功率模塊

IGBT兼具了MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的優(yōu)點,如高輸入阻抗、低驅動功耗、快速開關能力等,以及BJT(雙極型晶體管)的優(yōu)點,如高電流承載能力、低導通壓降等。因此,IGBT在功率電子領域具有廣泛的應用前景。IGBT模塊主要由以下幾個部分組成:IGBT芯片、鍵合導線、封裝結構(基板、散熱、硅凝膠等)、驅動與保護電路;下面介紹IGBT模塊主要材料。

(一)  IGBT芯片

IGBT芯片是整個模塊的核心部分,其內部結構包括P型襯底、N型緩沖層、N型漂移層、P型注入層以及絕緣柵氧化層等。其中,漂移層是為了提高模塊的耐壓能力而設置的。

IGBT模塊中IGBT芯片示意圖

(二)導線鍵合

為了確保電流能從IGBT芯片傳輸?shù)酵獠侩娐?,需要在芯片與焊盤之間進行導線鍵合。這一過程中使用的導線材料通常為鋁或金。


鍵合線

(三)  封裝結構

IGBT模塊的封裝結構主要包括基板、陶瓷層、散熱片等。基板用于支撐IGBT芯片,陶瓷層用于絕緣,散熱片則負責散熱。此外,封裝結構還包括一些外部引線、焊盤等用于連接外部電路的部件。

IGBT模塊示意圖

硅凝膠作為一種特殊的電子灌封材料,除具備有機硅類灌封膠獨特的耐候和耐老化性能、優(yōu)異的耐高 低溫性能、良好的疏水性和電絕緣性能之外,還具有內應力小、抗沖擊性好、粘附力強的優(yōu)點,是IGBT模塊灌封的首選材料。

IGBT硅凝膠是一種低應力,十分柔軟的有機硅凝膠。灌封到IGBT模組上后,它的低應力,凝膠柔軟性,不僅能夠達到比較理想的抗沖擊、減震效果,同時,凝膠表面的粘性,粘接在IGBT模組上,也能很好的達到防水防潮的保護效果。不僅如此,IGBT硅凝膠優(yōu)異的電氣絕緣性能,如高介電強度和體積電阻率,也能能夠保護IGBT模塊。



IGBT封裝采用的陶瓷覆銅載板主要有DBC(直接鍵合覆銅)和AMB(活性釬焊覆銅)兩種類型。與DBC采用直接熱壓敷合陶瓷/銅的方式不同,AMB的陶瓷和銅之間有釬料填充和參加界面反應,所以能夠獲得極低的界面空洞率和非常牢靠的界面結合。另外,由于陶瓷和銅復合機理的不同,DBC一般僅適用于Al2O3等氧化物陶瓷,應用于AlN時陶瓷表面必須進行預氧化,對于Si3N4陶瓷的適用難度較大,而AMB陶瓷覆銅工藝能直接適用于包括Al2O3、AlN、Si3N4在內的各種類型的陶瓷。

功率模塊封裝所采用的塑料框架(Plastic Fram)必須達到很高的技術要求,如在工作溫度區(qū)間內(如軌道交通用IGBT模塊長期運行溫度為-55~125℃)具有較高的的拉伸強度且機械強度穩(wěn)定,能承受短期超過250℃的高溫以適用中低功率模塊的焊接工藝。此外所選用的材料必須具有很好的電氣絕緣性能,相對電痕指數(shù)(Comparative Tracking Index, CTI)要求較高且能承受高度的電磁污染,無鹵和氧化銻等害物質且能滿足激光打標等要求等。


IGBT模塊的塑封材料基本上采用PBT或PPS,但也有采用PPA、PA、LCP等材料的情況。日本通常使用PPS,而歐美則更喜歡采用PPA。目前市場上常見的殼體材料主要還是集中在PBT和PPS上。在耐溫要求不高的情況下,PBT仍然是被廣泛采用的材料。然而,對于高耐溫要求的器件,例如SiC運行功率較高的情況下,通常需要采用高溫材料PPS或9T。


IGBT器件是功率變流裝置的核芯,廣泛應用于電動/混合動力汽車、軌道交通、變頻家電、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領域,是電力電子最重要的大功率主流器件之一。

IGBT模塊的正常工作時溫度范圍是-40°C~150°C,所以要維持IGBT芯片的正常工作就需要散熱器幫助其散熱,IGBT功率模塊性能的提升很大程度上依賴散熱性能的改善。

鋁基碳化硅(AlSiC)被稱為金屬化的陶瓷材料,是一種顆粒增強鋁基復合材料,采用鋁合金作為基體,碳化硅作為增強體,充分結合了金屬鋁和陶瓷的不同優(yōu)勢,從出現(xiàn)伊始,就得到封裝熱管理行業(yè)的青睞,也是目前高功率IGBT模塊封裝最佳的選擇。

鋁基碳化硅散熱件

(四)  驅動與保護電路

IGBT模塊需要一個驅動電路來控制其開關,同時還需要一定的保護電路來防止過熱、過壓等異常情況。這些電路通常集成在模塊內部或者以外部附件的形式存在。



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