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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。


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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。




8月23~25日,陶瓷覆铜板厂商博敏电子、芯瓷、精瓷半导体、鼎华芯泰、奔创电子、晶弘科技、粤科京华、宇斯特、蘅滨电子、巨浪电子等将参加艾邦第五届精密陶瓷展览会,地点:深圳宝安国际会展中心2号馆,欢迎莅临参观交流。



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。


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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:


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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%。


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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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