1 引言
由于igbt模块存在的尤其是在恶劣环境下的可靠性问题，一种无焊压装式igbt应运而生。
机械结构方面，无焊压装式igbt完全取消了焊接和焊接面，包括栅极引出在内的所有的接触均采用压力装配(图1)。栅极的引出，使用预成形的低感值平面结构件。有源的igbt和二极管芯片装在一个密封的盒子中(图2)，在最后密封前，这些芯片可进行预测试。芯片本身已经过多层金属化处理，具有很高的电气和机械的可靠性。器件额定电流为400a，额定电压为1800v，具有工业标准外形，密封的陶瓷封装。器件还包含了等额的反并联二极管。
fig. 1. chip carrier assembly. electrical characteristics
fig. 2. internal view of housing. example of this analysis
are contained within the thermal characteristics section
2 电性能
使用大量的数据来建模，从而优化密封器件中的igbt和二极管。安装时，选择不同的器件结构。这样，在相同的测试条件下，可测量不同参数的一系列样品。这些样品分析包括热特性部分。
fig. 3. basic test circuit
fig. 4. typical igbt waveforms
图3为基本测试电路, igbt及其反并联二极管都进行测试。为测试igbt, 测试器件放在位置t2, 同时一个同样的器件放在位置t1。igbt的典型开关波形见图4(ic=100a/div, vce=200v/div, t=5μs/div)。开通t2可达到所需的测试电流, l中也流过同样的电流。t2关断时，电流经t1的二极管续流, t2再次导通时结束。在igbt测试过程中, t1的反并联二极管上的电压和流过的电流可反映其性能。
从样品不同测试过程中获得数据来精确建模，并优化器件的性能，这个过程将在本文的下一节中，用典型的曲线进行说明。
fig. 5. on-state voltage vs collector current
fig.6. turn-off energy vs collector current
fig.7. turn-off energy vs on-state voltage
图5-7描述了寿命控制对导通压降和关断损耗的影响，当这两个因素变化时，可得到特性大范围变化的器件。在这两个参数中选择一个特殊的平衡点时，有可能得到应用在特殊场合的性能良好的器件。从图7给出的数据可清楚看出，导通压降增大到一定程度时，关断损耗变化趋于平缓，对大多数应用场合，可接受一个折衷方案。
fig.8. diode characteristics
同样可分析出具有不同p型掺杂浓度二极管的特性，见图8。图8给出了导通压降和反向恢复特性(irm、qra)的关系。在大多数应用场合，二极管按反向恢复特性不再有明显提高时所对应的导通压降设计，这是可接受的方案。
在分析igbt和二极管的两个例子中，只选用了一个制造参数，很自然的，这并不代表在制造过程变化或大范围内参数互相影响时，特性仍有很好的适应性。在密封器件的igbt芯片设计时，目标参数一般参考相近定额的模块器件。但这不排除将某些特性设计得最优，以适应使用这些专用器件的场合。
从热特性角度考虑，密封器件有很大优势，为适应这个需要求，器件的革新是必然的。本文接下来的部分将详细介绍。作者确信，在串联了二极管的电流型系统，它要求的二极管特性和电压型系统中所用的模块中的二极管不同。制造出无穷尽变化的产品是不可能的，密封设计可提供了多种应用所要求的特性。
因其机械设计的特点，无焊压装器件的内部电感比相同等级的基板组装器件小，并且电感均分在各个独立的igbt芯片中。这些特性利于igbt电压特性的优化，在开关动作时，电感电压补偿动态电压变化，它比正向阻断电压低。内部电感的降低提高了设计机械接头的灵活性。
工业标准封装可以充分发挥igbt的优势，不需要大幅度变动已有的的机械设计，就像晶闸管、gto等压装器件一样。在这样的情况下，igbt参数就和现有的模块器件大大不同。
压装igbt可用在高压情况下，器件必须串联工作。电路总电感有望明显减小，短路失效模式具有毫无疑问的优点。这样的应用场合下，常常要求器件工作在较低的频率，如何优化其性能必须引起重视。
3 热性能
不同于模块igbt，密封igbt的热性能更具吸引力。为了充分发挥其性能，用于封装的材料需精心选择。
每次建模时，需注意器件和环境的热交互作用，在整个设计过程中，这将使密封的好处得到最大保证。分别建立了模块igbt、密封igbt的电热模型。图9给出了对密封igbt的分析，rthe表示发射极的热阻，rthc表示集电极的热阻。
fig.9. simplyfied capsule mechanics and equivalent thermal circuit
图10给出了对模块igbt的分析，简化了电路，rtha表示焊接的热阻 ，rthb和 rthc分别表示基板以及基板和底板之间的热阻。和集电极侧的散热比较，发射极通过键合线的散热很少，可略去。每个芯片和底板之间有几层材料，芯片和底板之间的热阻分布不同。这些差别只能通过底板相对小的散热面积进行部分补偿。模块工作时，底板本身和散热器之间的热阻也不能保证均衡[1]。这可能引起芯片之间的热交换，降低器件的有效散热和热循环。这些因素使得模块必须降额使用。
fig.10. simplyfied module mechanics and equivalent thermal circuit
压装igbt不受此限制，铜电极较大的散热面积利于动态热性能的改善。图11是400a/1800v密封igbt在双面散热条件下的典型动态热阻曲线，器件散热优的性能已得到充分显示。从图12可见热阻与所施加的压力有关。如果单面散热，理论上，密封igbt和模块igbt有相近的热性能。实际上，密封igbt可工作于较高的结温。研制的双面散热器件的典型热阻为50k/kw，最高结温150℃,并且不受密封部分的热特性限制。
fig.11. igbt transient thermal resistance
fig.12. igbt rq vs clamping force
本文主要关注igbt芯片的发展，同时我们也涉及采用相同设计过程的二极管。毫不奇怪，二极管表现出和igbt相似的动态热阻(图13)。图14中，可看出热阻随所加压力改变引起的变化。
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