陶瓷基板的热点应用，IGBT到底是什么？

一、什么是IGBT

 

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写，即绝缘栅双极晶体管，由双极结型晶体管（BJT）和金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式电子电力器件，是一种电压控制开关型功率半导体器件，也是电能转换的核心器件。IGBT 可分为单管、模块和智能功率模块（IPM）三类产品。

 

图   IGBT模块，来源：中车时代电气

 

IGBT 是诞生于20世纪80年代的功率半导体器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。

 

二、IGBT模块的结构

 

IGBT模块是由多种材料封装而成，包括芯片、陶瓷覆铜板、键合线、底板、散热器、导热胶、焊料等。

 

图  IGBT模块剖面图

 

1、陶瓷覆铜板

 

陶瓷覆铜板具有高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特点，可保证模块内部的高压对散热器的绝缘安全，其良好的散热性能，能够将功率器件工作时的热量传出去，有效降低模块内部温度，提高可靠性。

 

 

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2、底板

 

底板是高压大功率模块IGBT模块整体封装必不可少的部件，作为与散热器之间的散热通道，其主要材料有Cu、AlSiC等。

 

3、芯片

 

IGBT 芯片是IGBT模块的核心，由于其工作在大电流、高电压、高频率的环境下，对芯片的可靠性要求较高，同时需保持开闭和损耗、抗短路能力和导通压降维持平衡，设计工艺极为复杂。

 

4、键合线

 

芯片以及陶瓷覆铜板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。

 

5、散热器

 

IGBT模块上的热传导散热器上，由散热器传导到空气中。

 

6、导热胶

 

为了减少接触热阻，在散热器与IGBT模块间涂抹导热胶。

 

7、焊料层

 

将芯片焊接到陶瓷覆铜板上，通过键合线将芯片之间进行电气连接，形成子单元，再将子单元焊接到底板上。

 

三、IGBT的应用领域

 

IGBT被称为电子电力行业的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航 天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域，应用前景十分广阔。

 

 

1、工业控制领域

 

工业控制领域是功率半导体最大的市场，IGBT 在工业控制领域有广泛的应用，应用场景包括变频器、逆变焊机、电磁感应加热、工业电源等。

 

2、新能源汽车行业

 

IGBT 模块在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用，是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件。IGBT 约占新能源汽车电控系统成本的 37%。在新能源汽车领域，IGBT主要应用于以下三个方面：

 

 

3、新能源发电行业

 

新能源发电主要以光伏发电和风力发电为代表，IGBT 是光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。

 

4、变频白色家电

 

变频白色家电具备高效节能、实现精准控制等多样化功能特点，而 IGBT 是白色家电实现变频功能的核心元器件。

 

四、IGBT的市场规模

 

随着碳达峰、碳中和目标的提出，新能源汽车以及光伏发电、风力发电等新能源发电行业得到极大发展，以及变频白色家电的普及，IGBT的市场热度持续升温。根据Yole数据，全球IGBT市场规模，2020年54亿美元，预计2026将增长到84亿，年复合增长率达到7.5%。

 

 

IGBT行业是技术密集型企业，门槛较高，由于国外企业起步较早，制造经验丰富，其制造工艺普遍领先于国内企业，占据主要市场，如英飞凌、三菱电机、富士电机、赛米控、威科电子等。近年来国内企业大力投入IGBT行业，产业化水平有了一定提升。国内 IGBT 模块主要企业包括中车时代、比亚迪、士兰微、华微电子、斯达股份等。

 

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：陶瓷基板的热点应用，IGBT到底是什么？