【电力半导体晶闸管、整流管桥臂模块】
模块化是电力电子技术一个新的发展方向。模块是指把各种电力半导体器件的芯片按一定电路联成并封装在一个绝缘的树脂外壳内制成的器件。模块有两种形式，即根据半导体器件芯片与基板之间电绝缘与否，分成绝缘隔离型和非绝缘隔离型。前者管芯与基板之间的绝缘耐压高达2．5kV有效值，应用时比较灵活，装置设计者可以把一个或几个模块安装在装置的任何接地外壳或框架的任何位置上，或安装在接地的同一散热器上，并联成各种标准的单相或三相全控、半控、整流等桥式电路、交流开关或其它各种电路，从而大大简化了电路结构，缩小了装置体积。后者具有公共的阴极或阳极才能使用，因而在使用中有很大的局限性，发展较慢。根据模块内部采用芯片的不同，模块还可分为单型和混合型两种。所谓单型，就是用同种器件的芯片组合而成，如整流管、晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、GTR、GTO和MOSFET、IGBT等模块；混合型是指上述器件与续流二极管、加速二极管等组合而成的模块。由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部联成，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好、结构重复性好、便于安装和维修的优点，加之总价格较低，机械设计又可简化，正被装置设计者用来逐步替代分立器件。一个3．2kW的直流电机调速装置，采用模块要比使用同样分立器件的装置体积约减小2／3，重量约减小1／2。模块已被广泛用于交、直流电机调速、温度控制、灯光控制、电焊机电源、不间断电源、各种恒压恒流电源、励磁电源以及日用电器等各种技术领域，以适应生产新一代机电一体化设备的小型化、功能化和组件化要求。因此，开发和生产各种不同类型的、高稳定的和高可靠的晶闸管、整流管桥臂模块就具有很大的经济效益和社会效益。本文简要介绍了目前国外已广泛使用且技术也很成熟的单型晶闸管、整流管、晶闸管、整流管桥臂模块的结构、额定参数、特性曲线，散热器的简略选择和计算以及模块的可靠性和发展趋向。
国内模块的外壳一般由韧性好、耐高温、成型收缩率小的注塑材料如聚对苯二干酸、丁二醇脂或聚苯硫醚制成。这种封装结构有良好的耐潮、抗振和抗冲击性能。因而使模块的性能稳定，可靠性高，价格低廉。模块结构按管芯组装工艺和固定方法不同可分为焊接结构、压接结构和直接铜键合结构(即铜－陶瓷－铜键合焊接式结构)3种，这3种结构各有其优缺点。环及内部零部件的热膨胀系数不匹配，容易使器件造成现场失效。国内开发较早的MTC(TT型)全控桥臂模块内部结构，陶瓷绝缘片一般采用AI2O3或BeO，现已开始采用AIN(AI2O3的导热率较差，99瓷约为16．75W／(m·K)BeO可达到201．W／(m·K)，AIN居二者之中)。陶瓷绝缘片焊有芯片和引出线，而陶瓷绝缘片又焊在铜基板上。因而使陶瓷片起到端子与铜基板之间的绝缘作用，并承受高达2．5kV有效值的绝缘耐压。晶闸管的芯片涂有硅橡胶保护，上面履盖一层很薄的导热硅脂或硅凝胶，再灌有环氧树脂，从而提高了模块的气密性，金属基板与外壳之间用加有填料的硅橡胶来密封，这种双重密封结构提高了耐潮湿性能，使模块的性能得以稳定。压接式结构是针对焊接结构的热疲劳问题研制成的。这种结构的模块电热连接是通过在芯片上加很大压力来完成的，但它结构复杂，零部件多，所以成本高，容易引起成品率和可靠性下降，同时又不能采用在恶劣环境下使阻断能力稳定的玻璃钝化的半导体芯片。铜－陶瓷－铜键合焊接式结构集中了焊接和压接式结构的优点，克服了它们的缺点，使之具有良好的热疲劳稳定性，可采用玻璃钝化的半导体芯片，而且内部零部件也少，能制成大电流和高集成度(即由多个芯片制成一个模块)的功率模块。为了保证焊接质量，必须使焊接处有很好的结合强度，有好的热耗散、低的欧姆接触和好的抗热疲劳性。为此对焊料要有一定的要求，即必须有合适的液固相温度，有好的湿润性，好的导电、导热性能；有害杂质量要低，而且要有好的抗热疲劳性能；所采用的硅凝胶必须具有良好的弹性，容易固化，流动性好，并具有一定的防潮能力。模块的3个主端子配置在同一平面上，使母线容易配线，门极端子和阴极辅助引出端子设在右侧，并与主端子分开，因而提高了抗噪音干扰能力；并可采用接插式引线。由于桥臂模块是由两个以上分立器件组成并不形成完整的电路，所以它的额定参数完全等同于单个器件的额定参数，其过电压保护和dv／dt冲击保护以及熔断器的保护方法与分立器件的保护方法一样。一般产品说明书都附有正弦波和矩形波的下列典型特性曲线，即正弦波的通态平均功耗(PT(Av))与器件通态平均电流(IT(AV))的关系曲线；正弦波的通态平均电流(IT(AV))与基板温度(Tc)的降额关系曲线；通态伏安特性曲线ITM=f(VTM)，门极触发范围特性曲线，浪涌电流与周波数的关系曲线以及瞬态热阻抗曲线。利用这些曲线以及产品说明书上给出的管芯稳态热阻(Rj-c)和接触热阻(Rc-h)值，就可确定通态平均电流，粗略估算散热器的外形尺寸。晶闸管的基本特性曲线中，一部分如通态伏安特性曲线和瞬态热阻抗曲线应是试验曲线，另一部分如PT(AV)=f(IT(AV))，IT(AV)=f(Tc)，以及
等特性曲线应是计算曲线。晶闸管桥臂模块与分立器件相比的明显优点是节省散热器。由于模块的芯片与基板相互绝缘，所以在同一接地散热器上可以安装任何个模块，并可把散热器作为装置外壳的一部分。此外，为了更好地散热，必须在散热器与模块基板相互接触表面上涂一层很薄的导热硅脂，以便使模块的输出功率增大。由于模块内部由两个以上芯片组装在一个外壳内，若其中一个发生故障，整个模块就不能使用。因此对模块芯片的可靠性要求更高，在模块封装前，必须对所有的芯片进行严格的高温电气筛选，并需对晶闸管的通态峰值电压降(VTM)，门极电流(Ig)和门极电压(Vg)以及断态电压临界上升率(dv／dt)等参数进行配对试验，以保证模块的可靠性和参数的一致性，特别对于用作交流开关的芯片，其dv／dt应选用更大的值，使之优于双向晶闸管的特性。模块投产前必须进行断续通电、高温老化筛选、冷却循环、耐潮、振动、落下等可靠性试验，以保证模块的机械性能和热性能可靠，否则不应批量投入生产，以免造成巨大损失。(西安电力电子技术研究所吴济钧撰)