IGBT的封装形式多样,根据功率等级､应用场景､散热需求及集成度等因素,主要可分为以下几大类,每种封装都有其独特的结构和应用定位:
- 分立器件封装(Discrete Packages)
特点: 单管设计,功率较小(通常<100A),结构简单,成本低｡
常见类型:
TO247 / TO3P: 经典大功率三引脚封装,自带金属散热片(背面为集电极),适用于中等功率应用(如电机驱动､UPS)｡
TO220: 体积更小的三引脚封装,功率能力低于TO247,常用于小功率开关电源､家电｡
TO263 / D²PAK: 表面贴装型,散热主要通过PCB,功率介于TO220和TO247之间｡
应用: 中小功率变频器､家电､消费电子､工业辅助电源｡
- 功率模块封装(Power Modules)
特点: 将多个IGBT芯片､续流二极管(FWD)､驱动､保护电路等集成在一个绝缘外壳内,实现高功率密度､高集成度和简化系统设计｡这是中高功率领域的主流封装形式｡
核心结构:
绝缘基板: 通常使用DBC(Direct Bonded Copper)或AMB(Active Metal Brazing) 陶瓷基板(如Al₂O₃, AlN, Si₃N₄),实现芯片与底板间的电气绝缘和良好导热｡
芯片互连: 传统采用焊料(Solder) 和键合线(Wire Bonding);先进封装采用铜线键合､Clip Bonding(铜条/片)或烧结银(Sintering) 技术,提升载流能力和可靠性｡
外壳与端子: 塑料外壳配大电流铜端子(螺丝端子或压接端子)｡
散热底板: 多为铜底板,用于安装散热器｡
主要类型:
标准工业模块(如EconoDUAL™, EconoPIM™):
半桥､六单元(六管)､PIM(整流+制动+逆变)､CIB(整流+逆变+制动)等拓扑集成｡
功率范围广(几十安培到上千安培),电压等级600V1700V为主｡
广泛应用于工业变频器､伺服驱动､新能源发电(光伏逆变器､风电变流器)｡
智能功率模块(IPM Intelligent Power Module):
高度集成化: 除IGBT/FWD芯片外,内置驱动电路(HVIC/LVIC)､保护功能(短路､过温､欠压)及自举电路｡
接口简化: 用户只需提供低压逻辑控制信号｡
优点: 设计简化､可靠性高､体积紧凑｡
应用: 变频家电(空调､冰箱､洗衣机)､小功率工业变频器､伺服驱动｡
汽车级模块(如HP Drive, HybridPACK™):
严苛要求: 满足AECQ101/AQG324等车规标准,高功率密度,高可靠性,低杂散电感,强振动/温度循环耐受性｡
先进技术: 广泛采用烧结银芯片贴装､铜线/铝带键合､Clip Bonding､双面冷却等｡
拓扑: 半桥､六管､功率集成模块(含Boost/Buck)｡
应用: 电动汽车主驱逆变器､OBC(车载充电机)､DCDC转换器｡
压接型封装(PressPack):
结构独特: IGBT芯片和二极管芯片被无焊料地夹在两个电极(通常为钼或铜)之间,通过外部压力保持接触｡
优点: 失效短路模式(避免炸裂)､双面散热能力极强､抗冲击/振动好､长寿命｡
缺点: 结构复杂､成本高､驱动电路设计更复杂(需考虑均压)｡
应用: 超高压(3.3kV, 4.5kV, 6.5kV及以上)､超大电流的HVDC(高压直流输电)､大功率机车牵引､工业超大功率变流器｡
特殊拓扑/集成模块:
NPC(中点箝位)､ANPC(有源NPC)模块: 用于三电平拓扑｡
PIM+(集成更多功能如预充电､电流检测)｡
SiC混合模块: IGBT与SiC MOSFET/SBD组合｡
先进封装模块(如.XT / XHP™ / SiPLIT™):
技术创新: 采用无底板设计(直接散热器安装)､双面冷却(DSC)､烧结技术､平面互连(取代键合线)等｡
目标: 极致提升功率密度､降低热阻､优化杂散参数､提高可靠性和寿命｡
应用: 高端工业驱动､新能源汽车(尤其追求高功率密度和效率的主驱)､可再生能源｡
- 塑封无引脚/小尺寸模块
特点: 介于分立器件和传统模块之间,采用表面贴装或简易安装｡
常见类型:
i4PAK / L4PAK: 紧凑型模块化封装,功率高于分立TO器件｡
QDPAK / QGPAK: 表面贴装型功率模块｡
应用: 中等功率紧凑型应用,如工业自动化､通信电源｡
封装选型关键要素
- 功率等级(电流/电压)
- 散热能力与热阻要求
- 集成度需求(分立､半桥､全桥､智能模块)
- 应用环境(温度､湿度､振动 工业/汽车/家电)
- 可靠性要求与寿命预期
- 系统体积和重量限制(功率密度)
- 成本预算
- 驱动与控制接口的复杂度
总结: IGBT封装技术从简单的分立器件到高度集成的智能模块和先进的压接/双面冷却模块持续演进｡标准工业模块(如Econo系列)和IPM是通用领域主力,汽车级模块(如HP Drive)满足车规严苛需求,压接型封装(PressPack)称霸超高压领域,而.XT等先进封装则代表了高功率密度与可靠性的未来方向｡ 选择合适的封装是优化系统性能､可靠性､成本和体积的关键｡封装技术的核心始终围绕着提升功率密度､降低热阻､增强可靠性和简化系统设计这四大目标不断发展｡
