IGBT模块内部是什么样的？拆一个看看

  前言  

01

IGBT作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车与新能源装备等领域应用极为广泛，被誉为半导体皇冠上的明珠。作为一名电力电子打工人，大家或多或少都应该和IGBT打过交道。面对耳熟能详的IGBT，内部结构是什么样的？估计大部分小伙伴就不太清楚了。为了满足大家的好奇心，今天我们就以英飞凌 PrimePACK 3封装的IGBT模块为例，帮大家拆解一下，看看这项高科技的内部隐藏着哪些秘密！
图1. IGBT应用场景

  IGBT模块简介 

02

今天要给大家拆解的IGBT模块型号为：FF1400R17IP4，模块外形及等效电路如图2所示。模块的长宽高为：25cmx8.9cmx3.8cm，握在手中，像块板砖，可作防身用。
模块内部包含两个IGBT，也就是我们常说的半桥模块，每个IGBT的额定电压和电流都是1.7kV 1.4kA。8、9、10、11、12为功率端子，需要连接功率回路。1、2、3、4、5为IGBT的辅助控制端子，需要连接门极驱动回路。6和7为NTC热敏电阻，用来做温度检测或过温保护。
图2. FF1400R17IP4 模块图片及电气原理
像这种类似板砖的黑模块除了“防身”还能做什么呢？举个身边的例子：新能源电动汽车，大家应该都比较熟悉了，采用3个这样的黑模块就可以做一个三相电机驱动器，如果再配上电池，驱动一个电动大巴完全是绰绰有余的。当然了，该模块在其它应用场合也很多，就不一一介绍了。
图3. IGBT新能源大巴应用

  IGBT模块内部结构 

03

对IGBT模块外部结构和应用有了初步了解后，让我们进入本文的主题，看看这个高科技的黑模块内部到底是什么样子的。图4就是IGBT模块去掉黑色外壳的内部图片，有没有被惊艳到？需要说明的是IGBT模块内部并没有什么贵重金属，金色是铜而不是黄金，银色的是铝也不是银。貌似最近铜的价格比较贵，估计坏的模块按斤称的话，也值个百十来块钱。老耿也曾经想过收集IGBT废品，然后再提取金属铜，只怪自己的执行力不够强，错失了发财机会。
图4. IGBT内部结构
扯远了，回到主题，图5为IGBT模块的剖面图，如果去掉黑色外壳以及对外的连接端子，IGBT模块内部主要包含3个部件，散热基板、DBC基板和硅芯片（包含IGBT芯片和Diode芯片），其余的主要是焊料层和互连导线，用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来，下面我们对每个部分作简单介绍：
图5 IGBT模块结构剖面图

① 散热基板：IGBT模块最下面的就是散热基板，主要目的是把IGBT开关过程产生的热量快速传递出去。由于铜的导热效果比较好，因此基板通常是用铜制成的，基板的厚度在3-8mm。当然也有其它材料的基板，例如：碳化硅铝（AlSiC），两者各有优劣。

② DBC基板：DBC (Direct Bond Copper)，全称为直接覆铜基板，也有文献缩写为：DCB（Direct Copper Bond），两者是一个意思。DBC是一种陶瓷表面金属化技术，一共包含3层，中间为陶瓷绝缘层，上下为覆铜层，如图6a所示。简单来讲就是在一个绝缘材料的两面覆上一层铜皮，然后在正面刻蚀出能够走电流的图形，背面要直接焊接在散热基板上，因此就不需要刻蚀了。
图6.  DBC衬底和PCB对比
DBC的主要功能需要保证硅芯片和散热基板之间的电气绝缘能力以及良好的导热能力，同时还要满足一定的电流传输能力。DBC基板类似2层PCB电路板，PCB中间的绝缘材料一般为FR4，而DBC常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）。
对于本文所分析的IGBT模块，内部有6个DBC，每个DBC上有4个IGBT芯片和2个Diode芯片，其中2个IGBT芯片和1个Diode芯片作为上管，剩下的作为下管，如图7所示。图7. DBC平面图和等效电路

③ IGBT芯片：模块内部采用的IGBT芯片型号为：IGCT136T170，手册可以从英飞凌官网下载。图8 为IGBT芯片的平面俯视图和基本参数。IGBT的门极和发射极在芯片的上方（正面），集电极在下方（背面），芯片的厚度为200um。IGBT开通后，电流是从下至上流动的，因此也可以称这种结构的IGBT为纵向器件。
图8. IGBT芯片平面图和基本参数
如果把这200um的芯片上再纵向来一刀，就可以得到如图9a所示的内部结构了，里面是由不同参杂的P型或N型半导体组合而成的。图8b为我们熟知的IGBT等效电路，通常都将IGBT理解为一个MOS控制的PNP晶体管。在刚开始入门电力电子的时候总感觉这个图有点别扭，为什么不把集电极画在上面，发射极画在下面，这样也符合我们逻辑啊！直到了解了IGBT电流是从下至上流动的，才恍然大悟，这可能也是最开始画这个图的人灵魂所在吧！
图9. IGBT芯片结构及等效电路
让我们再稍微了解一下这颗IGBT芯片的电气参数，这个芯片在100℃下，可通过直流电流为117.5A。由图4可知，模块内部的单个IGBT器件一共包含12个IGBT芯片，因此总的电流为：117.5*12=1412A，与IGBT模块手册中的1400A额定电流基本一致。
为了保证IGBT芯片之间的均流效果，每个芯片栅极内部已经集成了11.5Ω的电阻。同时考虑到DBC之间的均流，每个DBC上的两个芯片外部又共用了一个门极电阻，如图10所示。用万用表测量了一下，阻值大概为4.13Ω，感兴趣的小伙伴可以结合图10算一下，看看是否与IGBT模块手册的中的1.6Ω一致。
图10. IGBT内部等效电路
关于IGBT芯片更详细的参数可以参考官方手册。

④ Diode芯片：图11为Diode芯片的平面俯视图，正面为阳极，背面为阴极。二极管的电流方向是从上至下的，正好与IGBT的电流方向相反。Diode芯片额定电流为235A，每个IGBT由6个Diode并联组成，总电流可达1410A，与模块手册中的1400A也基本一致。Diode芯片的厚度与IGBT一样，也为200um。关于Diode芯片更详细的参数可以参考官方手册[2]。
图11. Diode平面图及基本参数
看到这里，你会不会惊叹在面积这么小，而且这么薄的半导体材料上就可实现上kV电压和上百A电流的开通和关断，真了不起，这也是为什么大功率半导体器件价格都很昂贵的原因。

⑤ 键合线：IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上铜层互连一般采用键合线实现，常用的键合线有铝线和铜线两种，如图12所示。其中铝线键合工艺成熟、成本较低，但是铝线键合的电气、热力学性能较差，膨胀系数失配大，影响IGBT使用寿命。而铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点，可靠性高，适用于高功率密度、高效散热的模块。
图12. 铝键合线vs 铜键合线

  IGBT模块内部电流走向 

04

对IGBT模块内部结构有了基本了解后，让我们回过头来，把上面的所有部件互连起来，看看IGBT模块内部电流是怎么流动的。在这里我们以其中一个DBC中的上管IGBT为例说明电流的流向，红色代表上管IGBT（S1和S2）电流方向，蓝色代表二极管D1电流方向。图13b为图13a模块的左视剖面图及电流方向示意图，感兴趣的小伙伴可以画画下管IGBT的电流走向。
图13.  IGBT电流走向图

  如何拆解IGBT模块 

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有些小伙伴可能好奇这个模块是怎么拆开的，其实也很简单，你只需要准备两把螺丝刀和一个小锤子就可了。
第1步需要一个梅花螺丝刀把IGBT模块底部的4个螺丝拧下来。第2步将IGBT模块正面的所有端子采用平口螺丝刀撬开，这一步很关键，需要保证被撬开后的所有端子要与模块基板保持垂直。第3步需要把IGBT固定在一个地方，或者找个人按住，用平口螺丝刀对准IGBT模块塑封外壳与基板连接处的任意一个位置，用锤子敲击螺丝刀，通过螺丝刀将外壳从基板撬开，撬开一个位置后，垫上东西，再去撬另外一个位置，就这样，慢慢地都撬开后，找个力气大的同学，用手直接扒开就可以了。
图14.  IGBT模块拆解步骤

  特别声明 

06

以上模块拆解教程只是针对Primepack封装模块，且仅供IGBT模块失效分析用，小伙伴们如果在拆解过程中，由于不小心用锤子或螺丝刀戳到自己或旁边同学而造成人身伤害的，不要来找我啊。
由于我本身是做应用的，对器件本体设计及制造理解也不够深入，以上内容若有不对之处，请大家批评指正！

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