1 引言
減少二氧化碳的排放和可持續性發展——這些是我們這個時代的流行語。為了不辜負這些今天和明天的流行語，需要先進的電控驅動技術涉足新的領域。其中一個最大且最具挑戰性的領域是汽車產業. 現有的功率模塊無法滿足該行業的嚴格要求，這就是為什么它們不能服務市場的原因。為了面對這項挑戰，賽米控開發了skim(賽米控集成模塊)—適用于汽車工業的igbt模塊。
如果電力電子系統將被用于電動或混合動力汽車，必須具備相當多的條件:模塊必須緊湊且重量輕，同時要能夠滿足大量的沖擊和振動要求。運行期間起主要影響的環境溫度通常超過125℃，而在汽車停止時可能會降到冰點以下。使用的冷卻劑通常溫度約為105℃，但在某段短暫的時間內會變得更熱，導致模塊內的芯片溫度tj>150℃。這些溫度導致極端的溫度波動，這會大幅縮短常規模塊的使用壽命[1]。
表1 顯示了汽車工業對與功率模塊的要求
2 尋找一個解決方案
常規igbt模塊，包括那些賽米控生產的，是基于3mm厚底板設計的，如圖1所示。一個或更多的裝有igbt芯片的dbc基板和連接端子是焊接在底板上的。鋁導線用于連接硅片的上部和基板。
常規igbt模塊故障的主要原因是溫度波動而導致的焊層疲勞或斷裂。疲勞會導致模塊熱阻的增加，這是一個自加速的過程。就疲勞而言，它的產生是因為極端溫度波動所致的熱誘機械應力的變化;由于不同的熱膨脹系數，當牢固粘結材料溫度升高或降低時，機械應力會產生變化。dt的值越高，這一進程發生的就越快。常規igbt模塊不能滿足表1所示的要求。
圖1 常規igbt模塊的基本設計
解決該問題一個方法是采用具有更好自適應熱屬性的材料。例如，由碳化硅鋁(alsic)制成的底板常被用于高性能的功率模塊，因為其熱膨脹系數比單獨的銅小很多。但是，碳化硅鋁的導熱性能差且非常昂貴，這就是為什么它不適合用在那些用于汽車工業的模塊的原因。
許多年前，賽米控開始尋找其他方法來解決這個問題。尋找的結果就是skiip技術(賽米控集成智能功率)，模塊沒有底板且焊接連接盡可能的少(參見圖2)。
圖2 基于skiip 技術的igbt模塊的設計
skiip模塊中，使用機械壓接系統將帶有硅片的基板壓置在散熱器上。由于基板不是固定在散熱器上，能夠隨著溫度的變化而伸縮，不會產生可怕的機械應力。焊接上的芯片的連接非常的小，且對于硅片來說，基板的熱膨脹系數是最合適的。因此基于這種技術的模塊比常規有底板模塊具有高得多的熱循環能力。
3 skim63和skim93
為了建立長期可靠且超級緊湊型模塊，skiip技術被當作進一步發展的基礎，從而帶來了skim系列的開發。skim63和skim93是首先采用這種新技術兩個模塊，目前可作為原型機。這些模塊專為是用于具有挑戰性功率密度和溫度要求的電動汽車而開發。
一個skim模塊外殼內是包含三個獨立半橋的六單元拓撲結構。每個半橋都配備了ntc溫度傳感器。為保持現行的標準，dc和ac主端子的高度都是17mm，分布在模塊的兩個對邊。外殼的上部是驅動端子，目的也是為了移除焊接連接。基于這個原因，驅動器板采用彈簧觸點連接而非焊接。skim63模塊和skim93模塊的尺寸分別是114×160mm2和150×160mm2（見圖3）。
圖3 skim第一款 100% 無焊接igbt模塊
靠近芯片和芯片之間主端子的功率軌被壓置在基板上，而不使用焊接連接。這種模塊設計具有非常低寄生模塊電感和電阻。
基板在許多不同的點壓置在散熱器上的事實意味著無雙金屬效應。基板平放在散熱器上。導熱硅脂層僅20μm厚，遠比常規帶底板的模塊要薄，那些模塊的通常約為100μm厚。這意味著，盡管熱擴散相對較低，但能實現同樣的散熱性能。
將來，芯片焊接將被完全去除。skim模塊中將采用低溫燒結技術連接芯片，而不是將芯片焊接在基板上[3]。在這種連接技術中，連接層由銀制成。由于銀的熔點非常高(960℃)，將不會產生那些在熔點<300℃的焊層中出現的典型疲勞效應。
要滿足給定熱循環能力要求，模塊必須要使用最新的工業塑料。對于skim模塊，賽米控選擇了cti(相對電痕指數)>600、rti(相對溫度指數)為150℃的聚酰胺(見圖4)。
圖4 skim的溫度循環能力比標準模塊高5倍
4 igbt / 二極管芯片
除了選擇最佳的機械設計外，igbt和二極管芯片的完美結合也是必不可少的。對于設想的未來應用，需要具有600v和1200v斷態電壓的模塊。由于高溫的要求，600v應用中的skim模塊使用了英飛凌科技的igbt3芯片和賽米控的cal hd，與此同時，1200v應用使用了英飛凌科技新研制的igbt 4芯片和賽米控新近開發的cal i4[4]。這些芯片的最大允許芯片溫度tj,max=175℃，因此能夠滿足高溫的要求，甚至在過載狀況下也可以。表2中的技術數據可由這些芯片實現。這些數據已被在現有原型機上進行的初步電路測試證實。
表2 skim電氣參數
5 結束語
skim是可在極端環境條件下滿足最高可靠性要求的功率半導體模塊。這是因為使用了壓力和彈簧觸點技術代替焊接技術，以及使用了最新的工業塑料。結合最新igbt和二極管技術，可實現高電功率密度——總之，模塊更緊湊、高效和可靠。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
