SEMIKRON paper for AES 2008final paperCHNfinal

1、Norbert Pluschke, 賽米控（香港）有限公司專為汽車應(yīng)用需求而優(yōu)化的新大功率IGBT模塊即將面世。它是市場(chǎng)上首款100%無焊接絕緣IGBT模塊。1992年賽米控引入了壓接技術(shù)。那時(shí)，賽米控推出了一款無底板IGBT模塊。（SKiiP技術(shù)）在DCB和底板之間無需焊接處理。電源和與DCB相連的輔助端子的觸點(diǎn)不是通過焊接連接的。一種新的壓力系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的焊接系統(tǒng)，從而帶來了良好的可靠性以及低熱阻。15年后的今天，賽米控將推出完全未經(jīng)焊接處理的無底板IGBT模塊。一般來說，IGBT芯片是焊接在DCB上，不過在新的IGBT模塊中，采用了新的燒結(jié)工藝將IGBT與DCB相連。負(fù)載循環(huán)期間的焊點(diǎn)

2、疲勞將會(huì)導(dǎo)致熱阻增大以及模塊故障。燒結(jié)點(diǎn)是一層薄薄的銀，與焊接相比具有優(yōu)良的熱阻特性，與此同時(shí)，由于銀的熔點(diǎn)高（960度），沒有發(fā)現(xiàn)有焊點(diǎn)疲勞現(xiàn)象，這將延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。賽米控可以將SKiiP技術(shù)與燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，其結(jié)果就是SKiM，一款新型無焊接IGBT模塊3。1.使用壽命的要求在汽車應(yīng)用中，對(duì)于預(yù)期使用壽命的要求非常嚴(yán)格。電容器的使用壽命問題眾所周知，但對(duì)IGBT使用壽命問題的了解就沒那么普遍了。傳統(tǒng)IGBT模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。IGBT模塊在不同的層使用不同的材料。鍵合線焊接在IGBT芯片上，IGBT芯片焊接在DCB上，DCB焊接在底板上。所有材料的CTE（熱膨脹系數(shù)）不同。圖1-

3、 IBGT模塊的結(jié)構(gòu)圖2-溫度變化在一些大功率的應(yīng)用中，IGBT模塊的溫度和負(fù)載循環(huán)的問題就會(huì)暴露出來。環(huán)境會(huì)有很大的影響。（圖2）一年之中，周圍的溫度會(huì)變化。模塊溫度依賴于負(fù)載情況，這將影響底板的最高溫度。結(jié)溫（芯片溫度）會(huì)變化非?？欤ㄔ隍?qū)動(dòng)器加速和減速過程中），這會(huì)在IGBT模塊不同層之間產(chǎn)生溫度差。如果溫度發(fā)生變化，IGBT模塊的各個(gè)材料層都將膨脹。由于CTE不同，各層的膨脹會(huì)帶來機(jī)械應(yīng)力并在一段時(shí)間之后使熱阻增大。所以目標(biāo)是開發(fā)一款各層材料CTE相似的IGBT模塊，以保證使用壽命長(zhǎng)。2. SKiM模塊系列新的SKiM（SEMIKRON Integrated Module，賽米控集成模塊

4、）功率模塊系列是下一代無底板超緊湊型壓接模塊。它沒有將DBC（Direct Bonded Copper，直接敷銅）基板焊接到底板上，而是直接壓在散熱器上?？拷總€(gè)芯片使用了多個(gè)壓接觸點(diǎn)，保持DBC平整且無有底板模塊所具有的雙金屬效應(yīng)，雙金屬效應(yīng)會(huì)干擾熱性能。底板的去除確保了高溫度循環(huán)能力（無CTE不匹配所帶來的焊接疲勞效應(yīng)）以及低熱阻。圖3展示了封裝外觀，圖4為帶壓接系統(tǒng)和輔助彈簧觸點(diǎn)的器件剖面圖。圖3 SKiM63 的封裝外觀圖電路是帶3個(gè)獨(dú)立半橋的6單元模塊。每個(gè)半橋有自己的DC端子并集成了NTC溫度傳感器?？刂艻GBT的輔助觸點(diǎn)由彈簧觸點(diǎn)制成。柵極驅(qū)動(dòng)PCB無需焊接到模塊上。相反，驅(qū)動(dòng)器

5、是用螺絲擰在模塊的頂部，以確保高溫循環(huán)能力和經(jīng)振動(dòng)證明可靠的彈簧觸點(diǎn)。圖4 SKiM 模塊的剖面圖根據(jù)冷卻和運(yùn)行條件，器件可用于的功率范圍在30 - 150kW之間。一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是層狀的內(nèi)部母線設(shè)計(jì)（圖5）。設(shè)計(jì)并優(yōu)化這樣一個(gè)母線是為了在模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能：· 主端子和芯片之間的低電感，低阻抗對(duì)稱連接，以保證并聯(lián)芯片間良好的電流共享· 滿足大功率逆變器設(shè)計(jì)要求的大電流能力· 為了實(shí)現(xiàn)低熱阻，在每個(gè)芯片附近提供壓力圖5 通過多個(gè)壓接觸點(diǎn)與DCB相連的層狀母線DC正極、負(fù)極和AC母線由經(jīng)過壓折的銅片組成。母線的三明治結(jié)構(gòu)通過各個(gè)芯片附近的多個(gè)壓接觸點(diǎn)壓在DBC基板上

6、。大的接觸壓力確保了接觸電阻小，無需額外的焊接。3.1 低電感設(shè)計(jì)與各個(gè)獨(dú)立芯片并行連接的三明治結(jié)構(gòu)保證了超低的內(nèi)部電感。DC端子螺絲和AC端子之間的電感LCE小于10nH，DC正負(fù)極之間的總電感小于20nH。圖6 SKiM端子磁場(chǎng)強(qiáng)度及電感的仿真FEM仿真顯示出電感主要來源于+/-DC端子之間的距離，三明治結(jié)構(gòu)無法在那里進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)（參見圖6）。經(jīng)過對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化，電感可減小30%（-10nH）。由于存在其他限制，如漏電和爬電距離，幾乎不可能再做進(jìn)一步的改善。只有采用多個(gè)并行連接至直流環(huán)節(jié)，才有可能得到明顯更低的值，賽米控AIPM模塊實(shí)現(xiàn)了這種方式 1。用戶獲得的好處是在di/dt大的情況下內(nèi)

7、部電壓過沖小，這使得可以在高直流環(huán)節(jié)電壓下運(yùn)行，并且即使在短路情況下也能安全關(guān)斷。無任何振蕩、干凈的開關(guān)波形使得開關(guān)損失小且EMI低。此外，同步開關(guān)確保了所有芯片的開關(guān)損耗幾乎相等。4. DBC布局DBC基板和芯片位置的布局對(duì)功率半導(dǎo)體的開關(guān)特性和熱阻有著重大的影響。此外，合適的傳感器位置有可能改善溫度保護(hù)的有效性。4.1 開關(guān)特性 開關(guān)特性取決于半導(dǎo)體的屬性，但也取決于模塊設(shè)計(jì)。由寄生電感導(dǎo)致的壓降要對(duì)并聯(lián)芯片間不同的開關(guān)速度和振蕩現(xiàn)象負(fù)責(zé)，即使這些半導(dǎo)體具有相同的屬性。為確保同步和“干凈”的開關(guān)，寄生電感應(yīng)盡可能的小并且對(duì)所有半導(dǎo)體的影響相同。采用左右側(cè)各一個(gè)IGBT，中間一個(gè)續(xù)流二極管的

8、這樣一種基本“構(gòu)建模塊”的DBC設(shè)計(jì)能夠滿足要求。二極管與IGBT之間的電流通道要盡可能的短（參見圖7），上管和下管開關(guān)的之間電流通道與此類似。圖7 上管和下管開關(guān)的IGBT和續(xù)流二極管之間的通道圖8和圖9顯示了600A 900V DC下1200V SKiM63模塊的開關(guān)波形圖。頂部和底部IGBT的開關(guān)損耗、過電壓以及di/dt幾乎相同。頂部和底部關(guān)斷時(shí)的電壓峰值差只有15V（1.3%）。圖8 兩倍額定電流600A(綠)，VCE(藍(lán))，VGE(棕) 900VDC，125°C時(shí)底部IGBT關(guān)斷開關(guān)波形圖9兩倍額定電流600A(綠)，-VCE(藍(lán)) 900VDC，125°C時(shí)頂

9、部IGBT關(guān)斷開關(guān)波形5. 封裝技術(shù)/可靠性苛刻的溫度循環(huán)需求排除了傳統(tǒng)銅底板功率模塊設(shè)計(jì)。不同的熱膨脹系數(shù)在不同材料之間的連接上施加壓力。AlSiC是一個(gè)可靠的替代品，但成本高，且與銅相比，熱阻高的多。此外，它只解決了被動(dòng)溫度循環(huán)問題。無底板壓接模塊是現(xiàn)有的替代方法。在鄰近并聯(lián)芯片的地方采用多個(gè)電氣壓力點(diǎn)的設(shè)計(jì)，保證了低熱阻和均勻的熱分布。與傳統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)相比，這兩個(gè)特點(diǎn)使得在功耗變化相同的情況下，新模塊的溫度波動(dòng)小。較低的溫度差能夠增加器件的使用壽命。為了改善功率循環(huán)能力，即使是在高結(jié)溫情況下，采用了低溫?zé)Y(jié)技術(shù)來將芯片和DBC基板連接起來。負(fù)載循環(huán)時(shí)，焊點(diǎn)疲勞，將會(huì)導(dǎo)致熱阻增大以及模塊故

10、障。燒結(jié)點(diǎn)是一層薄薄的銀，與焊接相比具有優(yōu)良的熱阻特性，與此同時(shí)，由于銀的熔點(diǎn)高（960°C），沒有發(fā)現(xiàn)有焊點(diǎn)疲勞現(xiàn)象，這將延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命 2。壓力DBC 襯底 SubstrateSubstrate芯片圖10 焊接和燒結(jié)芯片在溫度循環(huán)測(cè)試中的對(duì)比由于采用了壓接和彈簧觸點(diǎn)以及芯片燒結(jié)技術(shù)，這些模塊是完完全全的無焊接功率模塊。6 .總結(jié)介紹了一款專為汽車應(yīng)用需求而優(yōu)化的新功率模塊。它是首款100%無焊接絕緣IGBT模塊，采用了壓接和燒結(jié)技術(shù)。這確保了高的主動(dòng)和被動(dòng)溫度循環(huán)能力。該器件的設(shè)計(jì)在低熱阻和并聯(lián)芯片間對(duì)稱電流共享方面進(jìn)行了優(yōu)化。伴隨著最高175°C的結(jié)溫，可以實(shí)現(xiàn)高功率密度緊湊型逆變器設(shè)計(jì)。7. 參考文獻(xiàn)1 W. Tursky, P. Beckedahl, SEMIKRON International: ”Advanced Drive Systems”, IEEE PESC/CIPS 2004, Aachen, conference proceedings 2 C. Göbl, “Low temperature sinter technology die attachment for automotive power electronic applications”