IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

　　如下圖所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極（即發射極E）。N基極稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區（包括P+和P-區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極（即集電極C）。

　　IGBT結構圖

　　IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。

　　IGBT模塊的材料參數

　　目前，功率器件和模塊均采用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結構。圖1為普通IGBT模塊的解剖圖。

　　圖1 IGBT模塊結構示意圖

　　從上圖本文可以看出，IGBT模塊共由7層結構構成，大致可以分成三部分：芯片，DBC和基板。每部分之間由焊錫連接而成。本文知道IGBT是在晶閘管的基礎上發展而來，但與傳統的晶閘管相比，IGBT模塊省去了內部的陰極和陽極金屬層，分別由芯片表面引出的焊線及DBC上層銅板代替。除此之外，原先的鎳金屬緩沖層也被去掉了，其代價是單個IGBT芯片的容量減少。為了彌補這一缺陷，本文需要在DBC板上安置更多的IGBT芯片［8］。

　　IGBT模塊是由不同的材料層構成，如金屬，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內部用來改善器件相關熱性能的硅膠。他們的熱膨脹系數以及熱導率存在很大的差異，在器件的工作過程中會出現意想不到的問題。

　　物理上，熱導率代表了物體導熱性能的大小。在IGBT模塊中，涉及到的材料，其熱導率繪成柱形圖如下：

　　圖2材料導熱系數柱形圖

　　熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion， CTE）是指物體在單位溫度下體積的變化，其國際單位為K-1。對于IGBT這種具有堆疊結構的功率器件，它在正常工作下溫度很高，因此不同的材料也會因熱脹冷縮原理產生不同程度的形變，進而影響器件的可靠性。圖3繪出出了模塊內幾種材料的熱膨脹系數。

　　圖3材料的熱膨脹系數

　　有機材料的引入可以使接合線不被腐蝕，還有較高的擊穿場強，然而，它在模塊內部形成的有機薄膜會產生較大的寄生電容，進而影響器件的部分性能。

　　除了材料的選擇，事實上，IGBT模塊內部每層材料的厚度也有其規范。傳統的IGBT模塊里，陶瓷的主要成分為Al2O3，基板采用銅材料;在高壓IGBT模塊里，DBC內的陶瓷被AlN所取代;后期，高壓IGBT模塊又有所改進，主要變化在于使用碳化硅鋁取代原先的銅基板。

　　表1 不同IGBT模塊各層材料的厚度 單位：mm

　　當然，在特定的場合，所需的IGBT模塊內部材料厚度也不盡相同。比方說，原先的DBC陶瓷厚度為0.63mm，但為了減少器件的熱阻，后來的設計尺寸為0.38mm；再有對于一些需要承受更大高壓的IGBT模塊，它內部氮化鋁陶瓷的厚度達到1mm。