1 引言
今天，電力半導(dǎo)體器件是一個(gè)重要的成本因素，在很多日常應(yīng)用的核心中都可以發(fā)現(xiàn)其身影。事實(shí)上，當(dāng)今世界上的大部分控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備都包含功率半導(dǎo)體器件。
本文對(duì)最常用的裝配和連接技術(shù)、已實(shí)現(xiàn)的集成度和正面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行概述，并對(duì)這一領(lǐng)域在未來(lái)的發(fā)展做了展望。
圖1 功率半導(dǎo)體的裝配技術(shù)
圖1展示了目前正在使用的各種不同的連接和芯片裝配技術(shù)。
雙面焊接元件主要存在于低功率器件以及非絕緣分立半導(dǎo)體中。在超高功率應(yīng)用的高級(jí)部分和對(duì)可靠性要求更高的場(chǎng)合，一般使用具有非常高負(fù)載循環(huán)能力的非絕緣封裝可控硅和絕緣壓接模塊。焊接和粘合模塊是最流行的功率半導(dǎo)體類型。這是因?yàn)樗鼈兊目煽啃砸约半娐吠負(fù)涞母叨褥`活性。本文將專注這種類型的模塊。
2 現(xiàn)代功率半導(dǎo)體模塊的連接技術(shù)
這些模塊用在電壓為55v～6500v，電流為1a～2400a的場(chǎng)合。幾乎每一個(gè)已知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從半橋模塊、三相逆變模塊到帶集成整流器的cib(整流-逆變-制動(dòng))模塊中，都能見到整流器、逆變器和制動(dòng)斬波器功能。在大多數(shù)情況下，功率半導(dǎo)體和散熱器之間的絕緣基板是dcb(直接鍵合銅)或amb(活性金屬釬焊)陶瓷基板。
各種模塊設(shè)計(jì)之間的一個(gè)根本區(qū)別在于底板:一些模塊有固體底板，一些則沒(méi)有。對(duì)于無(wú)底板模塊，dcb直接裝配在散熱器上的(見圖2)。
圖2 帶底板和無(wú)底板的功率半模塊
底板(如:由3mm銅片制成)提高了散熱能力和芯片下部的熱擴(kuò)散，從而減少了瞬態(tài)熱阻。然而，絕緣陶瓷基板和底板之間大面積的焊接卻從本質(zhì)上降低了熱循環(huán)的能力。這是因?yàn)樘沾苫搴偷装逵兄煌臒崤蛎浵禂?shù)，從而導(dǎo)致焊接疲勞。復(fù)合材料(如:alsic或cumo)可代替陶瓷用作底板。然而由于成本原因，這只用在牽引應(yīng)用中。由于dcb并非牢牢粘在散熱器上，所以無(wú)底板模塊并不存在熱循環(huán)能力降低的問(wèn)題。在底板中不產(chǎn)生熱擴(kuò)散現(xiàn)象，但這可由使用較小的芯片和較薄的散熱涂層來(lái)彌補(bǔ)，因?yàn)檫@些模塊中dcb與散熱器之間的空氣間隙更小，這意味著它們可以提供更好的熱連接。
3 功率電子模塊的集成度
半導(dǎo)體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個(gè)差別因素是附加有源和無(wú)源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類:標(biāo)準(zhǔn)模塊，智能功率模塊(ipm)，(集成)子系統(tǒng)。在ipm被廣泛使用(尤其在亞洲地區(qū))的同時(shí)，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。
4 智能功率模塊(ipms)
智能功率模塊的特點(diǎn)在于除了功率半導(dǎo)體器件外，還有驅(qū)動(dòng)電路。許多ipm模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測(cè)量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，如過(guò)電流和短路保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器電源電壓控制和直流母線電壓測(cè)量等。
然而，大部分智能功率模塊沒(méi)有對(duì)功率側(cè)的信號(hào)輸入進(jìn)行電氣隔離。只有極少數(shù)的ipm包含了一個(gè)集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器(賽米控的skiip或英飛凌的primestacktm) 進(jìn)行隔離。
通常，小規(guī)模的ipm的特點(diǎn)在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關(guān)和驅(qū)動(dòng)ic的載體。通過(guò)一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進(jìn)行散熱。
用于中高功率應(yīng)用的ipm模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將模塊分為兩個(gè)層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的ipm是賽米控的skiip面市已超過(guò)了10年。這種無(wú)底板ipm系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400a，包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風(fēng)冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進(jìn)行全面的測(cè)試。一個(gè)有趣的趨勢(shì)是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級(jí)為ipm。可直接或使用帶驅(qū)動(dòng)電路(通過(guò)彈簧連接)的適配器板來(lái)進(jìn)行升級(jí)。賽米控的skypertm驅(qū)動(dòng)器是這方面理想的產(chǎn)品。
圖3 顯示出skaitm模塊中的集成功能的結(jié)構(gòu)圖
5 集成子系統(tǒng)
所有這些ipm的共同點(diǎn)是真實(shí)的“智能”，即將設(shè)定點(diǎn)值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kw以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。skaitm模塊也是ipm，其特點(diǎn)是集成了dsp控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進(jìn)行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個(gè)輔助電源，精密電流傳感器和一個(gè)液體冷卻器。圖3顯示了集成功能的結(jié)構(gòu)圖。
6 新的封裝趨勢(shì)
當(dāng)前電力電子發(fā)展的目標(biāo)是獲得更高的電流密度，系統(tǒng)集成度和更高的可靠性。與此同時(shí)，在低成本、標(biāo)準(zhǔn)接口以及靈活性和模塊化產(chǎn)品系列方面也有更多的呼聲。圖4顯示了過(guò)去幾年在模塊重量和體積方面所取得進(jìn)展。為了說(shuō)明這一進(jìn)展，展示了兩個(gè)具有相同額定功率的模塊。
圖4 現(xiàn)代功率半導(dǎo)體體積和重量的減小
在這一領(lǐng)域所觀察到的進(jìn)一步趨勢(shì)是使用彈簧連接作為輔助和負(fù)載連接。賽米控的miniskiip系列產(chǎn)品是這一領(lǐng)域中的先驅(qū)者。在miniskiip模塊中，至轉(zhuǎn)換器pcb板的每個(gè)輔助和負(fù)載連接都是用彈簧連接。
7 正在使用的新一代芯片
半導(dǎo)體技術(shù)的改善帶動(dòng)了更薄、結(jié)構(gòu)更佳的半導(dǎo)體芯片的發(fā)展。在過(guò)去幾年，這一進(jìn)步已使1200v igbt芯片的電流密度從40a/cm2增加至120a/cm2。事實(shí)上，芯片技術(shù)也有其局限性，從一個(gè)例子可以看出這個(gè)事實(shí)，即對(duì)于最新的600v溝槽igbt(厚度為70μm)，其允許短路時(shí)間從10μs減少到最高 6μs。這是因?yàn)楣杵奖。錈崛萘吭降汀?/P>
8 更高的運(yùn)行溫度
在許多領(lǐng)域需要更高的運(yùn)行溫度，如汽車應(yīng)用中發(fā)動(dòng)機(jī)室的溫度普遍超過(guò)130℃，冷卻劑的溫度則達(dá)105℃甚至更高。實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用所要求的更高電流密度和更高環(huán)境溫度的唯一方法就是提高最高允許芯片溫度。得益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在這些都是可能實(shí)現(xiàn)的了。2005年，600 v igbt和續(xù)流二極管的的最高允許芯片溫度都提高了25℃，達(dá)175℃。目前，最新一代1200 v igbt正在對(duì)tvj=175℃的情況進(jìn)行測(cè)試。然而，更高的運(yùn)行溫度和電流密度對(duì)可靠性也有負(fù)面影響，尤其是在負(fù)載循環(huán)能力方面，可導(dǎo)致焊接處疲勞的焊點(diǎn)和邦定線連接剝離[1]。一個(gè)可能的解決方法是將半導(dǎo)體元件與dcb基板燒結(jié)在一起。由于其較低的熱阻抗和高度的可靠性, 燒結(jié)工藝能幫助進(jìn)一步提高電流密度和運(yùn)行溫度。燒結(jié)工藝是在約240℃的溫度下對(duì)銀粉施加高壓，以在部件之間建立一個(gè)能提供可靠連接的薄連接層[ 2，3 ]。
9 結(jié)束語(yǔ)
功率半導(dǎo)體有助于電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是其在替代能源領(lǐng)域及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)有著高于平均值的增長(zhǎng)率。在電力電子模塊的發(fā)展中可以看出一些趨勢(shì)，其中最重要的是系統(tǒng)集成、冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化、電流密度的提高和成本的降低。應(yīng)對(duì)未來(lái)有關(guān)更高運(yùn)行溫度及相關(guān)可靠性問(wèn)題挑戰(zhàn)的唯一途徑是繼續(xù)發(fā)展和優(yōu)化裝配和連接技術(shù)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
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