1.2　IGBT发展和研究现状

1.2.1　发展现状

我国对IGBT模块的重要性认识较晚，已经落后于发达国家大约20年时间，2005年之后才逐步提上日程，给以重点提倡和扶持。目前我国IGBT产业在国家政策及重大项目的推动及市场牵引下得到了迅速发展，呈现出大尺寸区溶（FZ）单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。我国IGBT（含配套的超快FRD）产业的现状是:在封装方面，通过自主开发和技术引进，已经解决了电压可达6500kV、电流可达几千安培的IGBT功率模块封装（内含FRD）的批量生产技术；在芯片方面，已经开发出耐压1700 V以下（含1700V）的IGBT和超快FRD ［6-7］。

低碳时代的热门词少不了“新能源”、“高铁”、“电动汽车”、“智能电网”，而这些产业或产品无一例外地依赖于IGBT模块，在目前阶段IGBT成为它们不可或缺的功率核“芯”。

IGBT一方面拥有新技术带来的广阔市场空间，另一方面从技术发展路线来看又对以往的功率器件有一个逐步替代的作用。目前我国IGBT市场占整个功率器件市场份额尚不足10%，预计未来几年IGBT市场随着节能减排的推进将得到快速发展。未来IGBT在以下六个领域将会有较大的突破。

1.风力发电

风力发电机要实现稳定的电能并网发电，必须依靠相应的逆变系统。风力发电需要将产生的非固定频率交流电进行“交一直—交”转换再并网使用。现今，全球几乎一半的风力发电机组中都可以见到赛米控公司的IGBT模块技术。

2.太阳能发电

为了有效地满足绿色能源太阳能发电及逆变并网的需求，就需要控制、驱动器和输出功率器件的正确组合。太阳能在发电过程中需要逆变器才能实现电流的转换，IGBT是作为功率开关的必然之选，是逆变器的重要部件，决定逆变器的性能。

3.高铁及轨道交通

大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的必需组件。截至2013年9月，随着我国第一条连接海峡西岸和中部内陆腹地的快速铁路向莆铁路正式开通运营，中国高速铁路运营里程突破1万km，约占世界高铁运营里程的45%，稳居世界高铁里程榜首。电力机车一般需要500个IGBT模块，动车组需要超过100个IGBT模块，一节地铁需要50～80个IGBT模块。高速列车市场的繁荣必然带动对IGBT模块的巨大需求。根据预测，高铁领域每年对IGBT的市场需求达3亿元。

4.电动汽车

混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）的出现为IGBT创造了一个新的市场。电动汽车最关键的瓶颈是电机驱动控制和充放电，赛米控公司SKIM系列的IGBT功率模块采用最先进的烧结技术封装，更加适合应用在高温、振动、需要高可靠性和耐久性的环境中。在HEV和EV领域，IGBT应用在逆变器中，而逆变器是负责蓄电池的直-交转换，从而驱动电机运转。

5.智能电网

智能电网的大规模实施将实现中国IGBT和智能电网的“双赢”。智能电网对IGBT需求量每年可达4亿元，IGBT将直接受益于其巨大的市场需求。电网部分的高压直流输电、FACTS柔性输电技术、负荷侧的电机变频控制、智能家电产品、LED照明驱动等方面都对IGBT等功率器件形成了大量的需求。在智能电网领域，中国拥有全球领先的超高压直流输变电技术与特高压交流输电技术。IGBT是超高压直流输变电技术、特高压交流输电技术的核心元器件，为技术提供保障。

6.变频家电

IGBT是3kV及以上高压变频器的重要零部件，单台高压变频器中IGBT占总成本的4%～15%。3kV以下中低压变频器方面，根据深圳英威腾资料显示，IGBT占总成本26%左右。目前中国电机配备变频器不足10%，尚处于粗放式用电的阶段，市场潜力巨大。

1.2.2　研究现状

IGBT封装模块的研究现状主要从内部结构优化、微通道技术研究、通孔技术研究、热管结构优化等方面介绍。

1.内部结构优化

（1）双面散热型。赵善麒提出了在功率半导体管芯上、下面同时采用焊接DBC衬板和导热铜板进行双面散热的技术。采用该结构封装的模块工艺简单，根据现有的工艺条件可以制成该结构［8-9］。上、下面双面散热更易于降低芯片工作的结温，电流处理能力更强，热阻更小，开关频率变大，增加了PC循环次数。该IGBT模块双面散热系统见图1-1。

（2）简化传统结构。Eric R.Motto和John F.Donlon提到［10］，对IGBT三层结构中的DCB陶瓷层进行改造，将陶瓷基板两边分别用Al层代替Cu层，同时去掉底铜板，而将新型结构中紧贴陶瓷层下方的Al层加厚，充当散热基板，其作用和传统结构中的底铜板类似，结构示意见图1-2。

从图中可以看出，器件的体积减小，构成也相对单一，热阻变小，更有利于散热。经测试，该结构使得IGBT模块重量降为原来70%，模块散热性能更加优异。

2.微通道技术

（1）微通道结构形式研究。随着微通道技术日益成熟，微通道的结构形式也越来越多，徐尚龙、秦杰提出了4种微通道结构，通过热流耦合场数值计算，分析了不同微通道拓扑结构对电子芯片的散热影响［11］。图1-3为4种微通道结构示意图。

（2）微通道内部液体流速的研究。由于IGBT模块外观尺寸固定，因此散热板的尺寸也不会有太大变化，在这种情况下，可以控制的变量就是散热板内的流体速度。杨育良针对冷却水流量（入口速度）的变化对散热效果的影响进行了分析［12］。

3.通孔技术

随着便携式电子系统复杂性的提高，对电力电子集成电路低功耗、轻型及小型封装的生产技术提出了越来越高的要求。为满足这些要求，现在出现了很多新的3D封装技术。Navas Khan，Li Hong Yu等提出基于硅通孔TSV技术将芯片进行叠层封装。基于硅通孔TSV技术和导流槽结构的电子封装示意图见图1-4［13］。

芯片覆盖在底板上，底板内部嵌入冷却液导流管，在冷却液入口配有微型水泵对水流施压使其流动，在实际过程当中，可根据情况在内部进行水流分支的串并联设计。冷却液流过芯片底部的底板后，直接将热量带入外部的散热器，整个系统基于液体流动循环工作。机械连接柱用于固定散热器和封装体之间的连接，插入器用于固化内部芯片的位置。

4.热管结构

热管结构是基于气液两相流的基本原理制作的。气液两相流体在绝热或受热管道中流动时，因压力、流量、热流密度和管道几何形状的不同会形成各种流动结构形式。由于不同的气液两相流体流型具有不同的水动力学和传热特性，因而研究并设法预测管内气液两相流对热管结构的研究十分重要［14-16］。张良华、余小玲提出一种新型平板热管作为电力电子器件散热装置，基于热管结构的IGBT封装模块见图1-5。

管内液态水受热蒸发为水蒸气，由于水蒸气流动速度快，可以在很短的时间里均匀附着在热管顶部迅速带走IGBT散发的热量。从本质来说，热管的引入使得热源分布更加均匀，扩散热阻明显减小。