大功率半導體組件壓裝技術(shù)研究

高 原，陳潔蓮，王才孝，郭航飛

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

半導體器件是電力電子控制領(lǐng)域的重要部件，特別是壓接型大功率半導體器件在高電壓大電流的應用中，其優(yōu)異的過電壓、大電流能力是目前其他半導體器件無法代替和超越的[1]。為了充分發(fā)揮其潛力，對大功率半導體壓裝組件進行合理的結(jié)構(gòu)設計非常關(guān)鍵。目前行業(yè)內(nèi)大尺寸的晶閘管其電壓電流水平已達到8 500 V/5 600 A 以上，對于所需的額定壓裝力也達到了200 kN 左右，隨之帶來的器件應用問題也逐漸凸顯。文獻[2—5]中闡述了大功率晶閘管器件、IGCT 及壓接式IGBT 在應用中壓力分布對性能參數(shù)的影響，其關(guān)注點主要在器件內(nèi)部，在壓裝結(jié)構(gòu)與壓力影響因素等方面缺少相應的研究分析。如何保證以壓接式半導體為核心開關(guān)器件的組件壓裝力及其壓力均勻度等成為技術(shù)難點，同時壓接精度的高低對器件性能的影響程度，都急需作出進一步研究與分析。

1 半導體組件典型壓裝結(jié)構(gòu)

1.1 壓接式半導體器件結(jié)構(gòu)

為了解決普通焊接式半導體模塊的熱疲勞問題，發(fā)展產(chǎn)生了壓接式模塊技術(shù)，尤其在大功率半導體模塊中應用更多。在壓接式結(jié)構(gòu)中，電和熱的連接通過在芯片上施加很大的壓力，以實現(xiàn)電和熱的可靠接觸。以全壓接型晶閘管為例，如圖1所示，硅片位于半導體器件中間位置，緊相鄰的為上下2 層鉬片，外層為上下2塊銅基板壓緊，最外圍采用陶瓷襯套進行封裝。不同的器件尺寸對應著不同的器件壓力，當器件尺寸越大時，所需要的外部壓力也越大。

圖1 全壓接型晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 大功率半導體組件典型壓裝結(jié)構(gòu)

常見的大功率半導體（以晶閘管為例）為扁平圓盤結(jié)構(gòu)，采用雙面冷卻方式和陶瓷管殼封裝，在應用過程中為保證器件內(nèi)部可靠電熱合一，必須施加和維持一個大小穩(wěn)定的單軸高壓力，通常半導體組件的壓裝結(jié)構(gòu)有2 種形式：①壓力小于等于100 kN 時，采用彈片加鋼珠或球頭螺栓頂壓的結(jié)構(gòu)，力矩扳手緊固，如圖2（a）所示；②壓力大于100kN 時，采用碟簧加金屬承壓墊塊的結(jié)構(gòu)，利用壓力機壓緊。半導體組件典型的壓裝結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 典型半導體組件壓裝結(jié)構(gòu)

1.3 組件壓裝基本原理

半導體組件的壓裝過程遵循力的傳遞原理，即圣維南原理（Saint Venant's Principle），根據(jù)圣維南原理，在作用點處靜力等效的不同荷載經(jīng)過長度為一倍結(jié)構(gòu)高度（截面尺寸的大者）的傳遞后，可以忽略其局部效應。為了保證力的傳遞均勻性，組件壓裝過程中對于力的傳遞起主要作用的承壓塊必須有一定的結(jié)構(gòu)高度（即厚度）。對于不同的壓裝承壓結(jié)構(gòu)，所需要的結(jié)構(gòu)高度是不一樣的，如圖3所示。在某些應用中由于空間約束，使用器件臺面直徑距離作為承壓塊高度可能不一定符合實際情況，因此對于較大的半導體壓裝力要求，推薦采用剛性材料做壓力支撐塊（比如鋼），結(jié)合貝氏彈簧一起使用，此時的壓塊高度只有器件臺面直徑的一半距離，通常也能起到不錯的壓力均勻傳遞效果，如圖4所示。

圖3 載荷力在實體中的傳遞

圖4 單點與局部載荷的傳遞路徑

2 半導體組件壓裝影響因素分析

2.1 半導體器件壓力需求分析

為了使半導體器件在壓裝組件應用中獲得最佳的性能，器件廠家一般會給出對應壓接式半導體的額定壓力范圍，圖5為某型號不同尺寸系列晶閘管壓力分布圖，當施加的壓裝緊固力過低時，器件的額定壓力參數(shù)限值無法得到保證，導致器件的熱阻及通態(tài)壓降增大，浪涌電流等級下降；而過高的緊固力則會使芯片的微細結(jié)構(gòu)過度變形，致使負載循環(huán)能力下降，最壞情況時芯片甚至發(fā)生破裂。

圖5 不同尺寸系列晶閘管壓力分布圖

2.2 拉桿受力平衡度分析

對于大功率半導體的壓裝，利用2 根拉桿進行上下壓板的限位，往往是不夠的，通常需要3 根或3 根以上，使結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定。以前文圖2（b）壓裝結(jié)構(gòu)為例，采用4 根拉桿，在4 根拉桿上分別單獨安裝壓力傳感器，按照對角依次擰緊的原則對組件進行預緊，實驗結(jié)果見表1，4 根拉桿在壓裝過程的各階段不平衡度分別為1.37%、3.02%、4.95%、6.59%?？梢?，人為因素去控制扳手擰緊力矩的大小勢必會存在一定的偏差，因此在無法改變?nèi)藶橐蛩氐臈l件下，拉桿的結(jié)構(gòu)設計強度必須要留有一定的裕量，防止拉桿的受力不均引起局部拉桿斷裂。

表1 4 根拉桿受力分析統(tǒng)計表

2.3 半導體臺面壓力均勻度分析

組件的結(jié)構(gòu)設計及裝配造成壓力分布不均是導致器件接觸失效的常見原因。在設備使用期限內(nèi)，設計的電熱傳導界面應能保持良好的傳導特性，壓力分布不均會導致局部的熱應力集中等問題，嚴重將直接導致硅片的破損失效。下面主要從影響壓力分布均勻度的幾個主要因素進行分析。

2.3.1 碟簧選型對壓力分布的影響

以圖2（b）碟簧加金屬承壓墊塊壓裝結(jié)構(gòu)為例進行研究分析，半導體臺面直徑為134 mm，假定金屬承壓塊厚度35 mm（結(jié)構(gòu)限定最大尺寸）保持不變，分別選取不同內(nèi)徑大小的碟簧進行仿真計算，以接觸臺面直徑為橫坐標位移方向，對比壓裝組件半導體管1 接觸面間的壓力變化情況，如圖6所示。

圖6 器件對應不同碟簧的接觸應力分布

從圖6可以看出，壓力經(jīng)碟簧向支撐壓塊、半導體管1 由上而下逐漸過渡，壓力分布逐漸趨向均勻。隨著碟簧內(nèi)徑的由小變大，管1 與上壓板的最大壓力分布逐漸向外擴散。當?shù)蓛?nèi)徑區(qū)域在80～100 mm 直徑范圍內(nèi)時，如圖7所示，晶閘管1 與支撐壓塊的接觸面壓力分布較為均勻，壓力穩(wěn)定在10～14 Mpa，滿足元件的額定壓力范圍要求。選取6 英寸（臺面直徑約為134 mm）晶閘管進行壓力測試，如圖7所示，壓力較為均勻。

圖7 晶閘管臺面壓力測試分布圖

2.3.2 承壓墊塊對壓力分布的影響

假定碟簧內(nèi)徑區(qū)域為80～100 mm 保持不變，分別選取不同厚度的支撐壓塊進行仿真計算，以接觸臺面直徑為橫坐標位移方向，對比壓裝組件半導體管1 和半導體管2 接觸面間的壓力變化情況，如圖8所示。

圖8 支撐壓塊厚度與接觸壓力變化曲線

從圖8可以看出，壓力經(jīng)上壓板向管1、管2、管3由上而下逐漸過渡，壓力分布逐漸趨向均勻。當壓板達到一定厚度時，接觸面的壓力分布與壓板厚度關(guān)系逐漸減小，壓力穩(wěn)定在10～14 Mpa，此時壓板最小厚度h=35 mm，通過仿真分析可以得出，對于6 英寸（臺面直徑為134 mm）的半導體器件，當選擇碟簧小徑尺寸在80～100 mm 時候，隨著導向件壓盤厚度的增加，接觸壓力沿徑向分布均勻性得到顯著改善，但厚度增加到30 mm 后，改善程度則趨緩。

2.3.3 支撐面對器件邊緣壓應力的影響

在半導體組件壓裝結(jié)構(gòu)設計中，支撐面的突變通常會引起壓應力的集中，導致器件邊緣應力過大而損壞。以圖2（b）的壓裝結(jié)構(gòu)為例，對于6 英寸的半導體器件，靠近碟簧的半導體管1 邊緣應力達到30 Mpa 以上，靠近下壓板半導體管4 嚴重時候甚至達到50 Mpa，遠大于器件的平均壓力要求，極易引起器件芯片的邊緣位置失效。

因此，對于幾個器件用相同的安裝夾具裝配在一個堆疊組件中，這些器件的額定安裝壓力必須相同。為了使所有器件上的壓力分布均勻，使用臺面直徑相同的器件也有利于簡化散熱器的設計。如果散熱器不能均勻傳遞壓力，或使用了臺面直徑不同的器件，則直徑較小的器件邊緣壓力非常高，而直徑較大的則邊緣壓力非常低，如圖9所示，這將存在很大的應用風險。圖10為ABB 公司推薦給出的一種組件壓裝尺寸配合適當?shù)姆独齕6]。器件與散熱器和壓接母排的直徑盡量保持一致，或者采用一定高度的錐形結(jié)構(gòu)過渡，以減小邊緣應力的集中。

圖9 器件邊緣壓應力分布圖

圖10 ABB 推薦的堆疊組件結(jié)構(gòu)

3 壓裝力對器件參數(shù)性能影響分析

3.1 器件與母排間接觸電阻與壓裝力關(guān)系

晶閘管組件通常由多個元件串聯(lián)而成，元件臺面間會形成接觸電阻，如果接觸電阻過大勢必會引起臺面間熱量的聚集，造成晶閘管的局部溫度過高，引起進閘管的熱擊穿現(xiàn)象。圖11指出了6 英寸晶閘管串聯(lián)組件兩端電阻隨壓裝力變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，較小的壓裝力會產(chǎn)生較大的接觸電阻，當壓力增加到150 kN 以后，接觸電阻受壓力的影響程度逐漸減小，因此在壓裝結(jié)構(gòu)設計中，要注意避免壓力不足的情況。

圖11 接觸電阻與壓裝力的關(guān)系曲線圖

3.2 器件結(jié)殼熱阻與壓裝力關(guān)系

結(jié)殼熱阻（Rjc）是表征模塊工作時芯片通過封裝載體向外界散發(fā)熱量的能力，其是限定模塊所承受功率能力的重要參數(shù)之一。不同的壓裝力作用下，其呈現(xiàn)的結(jié)殼熱阻是不一樣的，以6 英寸某型號晶閘管為例，通過實驗得到的結(jié)殼熱阻與壓裝力的關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12 結(jié)殼熱阻與壓裝力的關(guān)系曲線圖

從圖12中可以看出，壓裝力對器件的結(jié)殼熱阻Rjc 影響較大，只有當壓力增加到150 kN 以后，結(jié)殼熱阻Rjc 受壓力的影響程度才逐漸減小。當由于壓力不足導致結(jié)殼熱阻增加，通常會引起器件的熱效應失效。

3.3 器件浪涌能力與壓裝力關(guān)系

浪涌電流（ITSM）系指晶閘管在規(guī)定的極短時間內(nèi)所允許通過的沖擊性電流值。在晶閘管的整流應用中，會發(fā)生瞬間的高過電流脈沖，若超過了器件的浪涌電流能力，則極可能造成器件的損壞。通態(tài)浪涌電流測試原理如圖13所示，將被試元件（6 英寸某型號）安裝在試驗臺上，設定溫度、壓力、測試參數(shù)，開始測試。壓力測試范圍為70～190 kN，從壓力上限開始，每5 kN 測1 個點，逐漸減小至壓力下限，測試每個壓力下的極限浪涌電流。

圖13 通態(tài)浪涌電流測試電路

通過對某型號壓接式大功率晶閘管實驗發(fā)現(xiàn)，器件所受壓裝力的大小對應著晶閘管不同的浪涌電流能力，當壓裝力不足時，晶閘管的浪涌電流能力也會相應下降，圖14反應了某型號晶閘管浪涌電流與壓裝力對應關(guān)系，當壓力達到一定值時，其浪涌電流能力維持在一個定值不變。

圖14 浪涌電流與壓裝力對應關(guān)系圖

4 壓裝結(jié)構(gòu)與工藝關(guān)鍵點

4.1 良好的接觸界面特性

①接觸面粗糙度：為了在器件與散熱器界面之間獲得最理想的電熱傳導，一般要求壓裝型大功率半導體器件表面粗糙度Ra≤0.8 um；②器件表面平面度：臺面直徑小于等于50 mm 時，一般要求平面度小于等于10 um，否則小于等于15 um；③表面處理：在與器件相接觸的散熱器或銅排表面鍍上與器件同樣厚的鎳層，對于惡劣工況下的應用，推薦用化學鍍工藝方法。

4.2 合理的壓裝工藝步驟母排間接觸電阻與壓裝力關(guān)系

①組裝應在潔凈無塵的干燥環(huán)境中進行，整個組裝操作中保持表面潔凈，裝配之前，應用酒精或相似溶劑和無塵布徹底清潔接觸表面；②裝配散熱器及壓裝大功率器件時要注意避免擦傷器件表面，保持器件臺面光潔、鍍層完整；③確保正確安裝器件極性，正確布置晶閘管和門極可關(guān)斷晶閘管的門極電纜，務必使器件居中并固定好。通?？刹捎眠m配器固定臺面或陶瓷管殼，也可通過將定位銷卡入器件的中心定位孔來對中；④選用合適的壓裝工裝。盡量采用弧面壓裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動對中，這將避免在裝配中出現(xiàn)壓裝大功率半導體器件偏移中心的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文分別從壓裝結(jié)構(gòu)及原理、壓裝力的影響因素、壓力對器件參數(shù)影響關(guān)系及壓裝工藝等4 個方面對大功率半導體壓裝技術(shù)進了研究分析，為器件的壓裝結(jié)構(gòu)設計提供了一定的參考數(shù)據(jù)和依據(jù)。對于大功率半導體組件壓裝過程中，其中靠近碟簧側(cè)器件可以通過碟簧的正確選型或者增加承壓塊厚度可改善壓力分布均勻性，靠近下壓板側(cè)器件應均勻過渡，以避免應力集中。半導體組件壓裝力的大小對應著器件不同的接觸電阻、結(jié)殼熱阻及浪涌電流，只有當壓裝力達到一定值后，器件的相關(guān)參數(shù)才能趨于穩(wěn)定。