由于對提高功率密度的需求，功率器件、封裝和冷卻技術(shù)面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在功率轉(zhuǎn)換過程中，高溫和溫度波動限制了設(shè)備的最大功率能力、系統(tǒng)性能和可靠性。本文將總結(jié)兩種不同的技術(shù)，以最大化功率模塊和器件的熱性能和功率密度。

非隔離芯片組裝與直接液冷

半導(dǎo)體功率模塊通常由安裝在直接銅鍵合(DCB)基板上的功率器件芯片組成。對于中高功率模塊，這種基板一般是電絕緣陶瓷，如氧化鋁(鋁土礦：Al?O?)、氮化硅(Si?N?)或氮化鋁(AlN)。該基板可以熱連接到如銅等底板上，外部散熱器可以附加在其上。寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體材料如碳化硅(SiC)具有更高的效率和功率密度。

在模塊組裝過程中，已經(jīng)進(jìn)行了多項技術(shù)改進(jìn)，以提高其熱性能，從而最大化功率器件的能力。這些進(jìn)展包括用于芯片連接的燒結(jié)和擴(kuò)散焊接，以及熱性能更好的高性能陶瓷，如氮化硅(Si?N?)和氮化鋁(AlN)。陶瓷基板可能是模塊熱阻的重要因素，即使使用先進(jìn)的陶瓷，電氣絕緣所需的厚度與由此產(chǎn)生的熱阻之間也存在固有的權(quán)衡。

與上述隔離模塊相反，高功率盤狀器件通常使用電導(dǎo)冷板(如鋁)構(gòu)建。在冷板內(nèi)流動的電氣非導(dǎo)電液體(如去離子水與乙二醇的混合物)可用于主動冷卻。功率器件與散熱器之間缺乏絕緣層改善了熱性能。這個概念已在Si IGBT芯片上得到驗證，具體細(xì)節(jié)如下。

設(shè)置1：帶線焊裝配的先進(jìn)IGBT芯片

在此方案中，將兩個額定1200 V/200 A的IGBT芯片焊接到液冷板上。冷板成為IGBT集電極的電連接，同時發(fā)射極和控制引腳需要隔離端子。芯片尺寸約為200 mm2，設(shè)計先進(jìn)，額定200 A下的正向電壓僅為1.2 V。這種新設(shè)計還將額定電流的去飽和比提高到6以上，使得功率損失密度超過600 W/cm2(在650 A時，2 V的正向壓降導(dǎo)致200 mm2芯片的凈損失為1300 W)。

每個芯片使用八根25 A能力的金線將發(fā)射極與功率端子連接。芯片經(jīng)過黑化處理以進(jìn)行熱測量。使用高電流、低電壓電源為芯片提供電力。電流以50 A的增量增加，直到達(dá)到允許的最大芯片結(jié)溫150 °C。組裝的芯片在冷板上的圖像以及在每個芯片200 A電流下拍攝的熱成像如圖1所示。

在此設(shè)置中，金線將最大電流限制在250 A，達(dá)到這一點(diǎn)時金線熔斷。芯片及其組裝的優(yōu)異熱性能在額定200 A下，芯片溫度僅上升70 K，表明熱阻小于0.1 K/W。

設(shè)置2：帶夾具裝配的IGBT芯片

為了消除上述設(shè)置中金線的限制，使用了具有可焊前面金屬化的IGBT芯片，允許在IGBT前表面進(jìn)行夾具頂面裝配。183 mm2的芯片額定1200 V/150 A，并未采用設(shè)置1中使用的先進(jìn)低正向電壓設(shè)計。組裝芯片的圖像及其在每個芯片200 A下的熱成像如圖2所示?？梢钥吹剑鹁€限制已被消除。在此設(shè)置中，芯片的最大功率損失密度為380 W/cm2。在驅(qū)動150 A設(shè)備的200 A時，結(jié)溫仍遠(yuǎn)低于175 °C。

設(shè)置2經(jīng)歷了功率循環(huán)(PC)測試。在此測試中，入口溫度為12 °C，使用4秒周期、50%的占空比和250 A的負(fù)載電流實現(xiàn)了90 K的芯片溫度波動。圖3所示的結(jié)果表明，使用5%的正向電壓增量標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了145,000次循環(huán)的使用壽命。通過提升芯片金屬化、焊料合金和焊接工藝，這方面的進(jìn)一步改進(jìn)是可能的。

應(yīng)用

上述非隔離模塊適用于高功率應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電的可再生能源、鋼鐵行業(yè)中的金屬熔化或感應(yīng)加熱焊接、電池斷路器和斷路器。

集成液冷可以提高各種系統(tǒng)組件的可靠性和壽命，包括功率器件、端子和直流鏈接電容器，并簡化因溫度較低而降低的操作的外殼設(shè)計。

隔離TO-247封裝

ISOPLUS?是由IXYS于2003年首次在鋁土礦基板上開發(fā)的內(nèi)部隔離離散功率封裝系列。ISO247屬于ISOPLUS?系列，具有與標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝兼容的外形尺寸。ISO247的基本概念是為暴露的排水墊提供固有的電氣隔離，同時保持從芯片到該墊的高熱導(dǎo)率。

TO-247在與散熱器連接時需要外部絕緣，而可以使用電絕緣、熱導(dǎo)的膠帶來實現(xiàn)。然而，這可能顯著增加器件結(jié)到散熱器的熱阻。增加的熱阻可能會顯著阻礙最佳性能和功率能力，尤其對SiC等WBG器件而言，高功率往往是關(guān)鍵的系統(tǒng)需求。

本研究中使用的ISO247封裝經(jīng)過增強(qiáng)，以滿足SiC MOSFET等高功率器件的要求，包括：

使用Si?N?陶瓷基板，提供約90 W/mK的高熱導(dǎo)率，以及約2.4 ppm/K的小熱膨脹系數(shù)，與半導(dǎo)體芯片相似。高電氣絕緣性和優(yōu)良機(jī)械性能使其成為高功率密度應(yīng)用的優(yōu)秀候選材料。本研究中使用的ISO247的絕緣等級為1分鐘下的2.5 kV AC或1秒下的3 kV AC。

采用混合活性金屬釬焊(H-AMB)技術(shù)在基板上創(chuàng)建金屬化。這包括初步的濺射過程和活性金屬填充層，隨后在約850°C的溫度下將銅釬焊到該濺射表面。H-AMB工藝帶來了卓越的熱導(dǎo)率、成本效益和無空洞的粘合表面。

ISO247和TO-247的結(jié)構(gòu)及安裝差異如圖4所示。

SiC MOSFET熱性能比較

使用一個1200 V、25 mΩ的SiC MOSFET芯片對ISO247和TO-247的熱性能進(jìn)行了比較。在TO-247的情況下，使用了熱導(dǎo)率為1.8 W/mK和6.5 W/mK的外部隔離膠帶。ISO247在隔離封裝排水墊和散熱器之間使用了熱導(dǎo)膠。設(shè)備安裝在保持恒定30 °C的水冷散熱器上。

圖5中顯示了40 A加熱電流下的熱阻(RthJH)和結(jié)溫(Tvj)數(shù)據(jù)。

ISO247的RthJH比TO-247在更高熱導(dǎo)率的熱膠帶下低55%，并且在相同的器件功率和外部冷卻條件下，從芯片到散熱器的溫度波動降低了39%。這些改善的指標(biāo)可以直接與由于降低的熱機(jī)械應(yīng)力而提高的可靠性相關(guān)聯(lián)，同時由于在高溫下器件損失和泄漏的典型增加，性能也得到了提升。

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