半导体模块的结构特点及特殊设计要求

摘要：通过对电力半导体模块结构的介绍，以及对其主要原材料性能的分析，进一步阐述了各主要结构材料对电力半导体模块性能的影响。

关键词：电力半导体；模块；质量差异

1 引言

电力半导体模块是分立半导体器件的进一步发展，它是现代电力电子设备的主要器件。由于它具有体积小，外壳与电极绝缘，可靠性高，安装方便等优点，因此，在国外得到了广泛的应用。近十几年来在我国也迅速地得到推广应用，并且已有很多厂家引进了制造技术或自行开发。但由于各厂家对模块的设计和工艺了解程度的不同，导致生产的产品在技术指标和质量上存在很大的差异，特别是国内还存在着模块电流越做越大的趋势，严重地误导了用户的使用，因此，为了确保电力电子设备的性能，有必要对电力半导体模块的结构进行介绍。

2 电力半导体模块的结构特点

电力半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。它具有体积小，外壳与电极绝缘的特点，因此，可以将多只模块放在同一块散热器上，以缩小电力半导体整机的体积。

通常，200A以上的分立式电力半导体器件采用平板式压接结构，为双面散热；200A以下的器件采用螺栓式焊接或压接结构，为单面散热。

电力半导体模块和分立式电力半导体器件一样，也具有焊接和压接两种结构形式，如图1所示。它与分立式半导体器件所不同的是它的电极与外壳绝缘，并且压接式模块也是采用单面散热。

(a)模块 (b)螺栓元件 (c)平板元件

图1 电力半导体器件结构图

电力半导体器件的热阻与功耗的关系如式（1），式（2）所示。

R_ja==R_jc＋R_ca=R_jc＋R_cs＋R_sa（1）

P=0.785V_TMI_AV＋0.215V_T0I_AV（2）

式中：R_ja为模块芯片与环境之间的热阻；

R_jc为模块的结壳热阻；

R_ca为模块外壳与环境之间的热阻；

R_cs为模块外壳与散热器之间的接触热阻；

R_sa为散热器的热阻；

T_j为模块芯片的温度；

T_a为模块的使用环境温度；

P为器件的通态耗散功率；

V_TM为器件的通态峰值压降；

I_AV为额定通态平均电流；

V_T0为器件的门槛电压。

由于模块采用绝缘的陶瓷片和单面散热结构，增加了热阻，导致在同等芯片尺寸和同等散热条件下，模块的电流容量降低了，因此，对模块的结构设计和材料选取也另有特殊的要求。

3 模块常用绝缘材料的的特点及选取

模块外壳基板与电极绝缘，同时还要利用外壳散热，因此，要求其基板和电极之间的绝缘材料不但应具有良好的绝缘性能（绝缘电压≥2500VRMS），而且要具有良好的导热性能，以及耐高温（>150℃），并有良好的机械性能，热膨胀系数，抗压性能等。常用作组装模块用的绝缘材料有，Al₂O₃、BeO、AlN及DCB瓷片等。其性能见表1。