【導讀】今天，功率半導體為很多應用提供高功率密度的解決方案。如何將功率器件的發(fā)熱充分散出去是解決高功率密度設計的關(guān)鍵。通過(guò)使用IGBT焊接在雙面覆銅陶瓷板(DCB)上可以幫助減少散熱系統的熱阻，前提是需要IGBT單管封裝支持SMD工藝。本文將展示一種可回流焊接的TO-247PLUS單管封裝，該封裝可將器件芯片到DCB基板的熱阻降至最低。
01 引言
商業(yè)、建筑和農業(yè)車(chē)輛(CAV)應用競爭激烈不斷發(fā)展，要求不斷提高功率密度并降低成本。使用單管方案可以有效的降低產(chǎn)品成本，同時(shí)也要求單管IGBT要承受重載周期中產(chǎn)生的熱量。為了支持這樣的要求，功率半導體應具有較低的損耗，并在標準封裝中使用盡可能大的芯片，系統熱阻要最低。一個(gè)可能的解決方案是將單管安裝在水冷散熱器上。為了滿(mǎn)足絕緣要求，器件被安裝或焊接到DCB上。DCB本身也被固定在水冷散熱器上。為了滿(mǎn)足較低的系統損耗和可靠的運行，本文所描述的器件采用了EDT2 IGBT芯片，具有750V的阻斷電壓，可用于500V的電池系統。更高的阻斷電壓為雜散電感產(chǎn)生的關(guān)斷應力提供了更多的設計裕量。為了滿(mǎn)足CAV的高電流要求，該器件采用了能裝入 TO-247PLUS封裝的最大的芯片。再加上短路穩健性和出色的輕載功率損耗，EDT2技術(shù)是CAV應用的完美選擇。
02 TO-247PLUS單管封裝的回流焊接
TO-247PLUS是一種可以容納高功率密度解決方案所需的大型芯片的理想封裝[1]。為了最大限度地提高其熱性能，需要將芯片到冷卻系統的熱阻降至最低。一種解決方案是將封裝的背面通過(guò)DCB焊接到水冷散熱器上。作為一個(gè)標準的通孔器件(THD)，一般使用的是波峰焊工藝。為了承受回流焊工藝，需要對標準TO247封裝進(jìn)行改進(jìn)。使用共聚焦掃描聲學(xué)顯微鏡(CSAM)對標準的TO-247和改進(jìn)的TO-247PLUS封裝進(jìn)行評估。滿(mǎn)足濕度敏感水平(MSL) 3存儲條件下的產(chǎn)品，在峰值溫度245°C及該溫度以下進(jìn)行回流焊接，可以持續30秒。TO-247PLUS 封裝的改進(jìn)版是根據標準JEDECJ-STD-020E設計和認證的。圖1展示了標準TO-247封裝的結果。
Fig.1 標準TO-247封裝的CSAM
在引腳頂部以及芯片表面可以觀(guān)察到明顯的分層。眾所周知，這種分層會(huì )在產(chǎn)品的使用壽命內對導線(xiàn)產(chǎn)生負面影響。此外,芯片墊片上的分層,延伸到封裝表面,可能會(huì )形成一條通往封裝外部的路徑，使芯片暴露在惡劣的環(huán)境條件下，如濕度。標準的TO-247封裝不建議用于回流焊焊接。
圖2展示了TO-247PLUS封裝的改進(jìn)版在1000次溫度循環(huán)后的測試結果。芯片頂部、芯片墊片、引腳頂部或芯片焊接層沒(méi)有分層。因此,這種封裝是回流焊接的理想選擇。
圖2 滿(mǎn)足MSL1存儲條件的TO-247PLUS單管經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)后的C-SAM
還進(jìn)行了進(jìn)一步的測試,以確定TO-247PLUS封裝適用于表面貼裝器件的極限。滿(mǎn)足MSL1存儲條件的產(chǎn)品，在峰值溫度245°C及該溫度以下回流焊并持續30s，該封裝經(jīng)歷了多達2000次溫度循環(huán)。圖3和圖4顯示了CSAM的測試結果。沒(méi)有發(fā)現嚴重的分層或電氣故障。這進(jìn)一步驗證了TO-247PLUS SMD封裝改進(jìn)版的有效性。
圖3 滿(mǎn)足MSL1存儲條件并在2000次溫度循環(huán)后的TO-247PLUS SMD芯片頂面的C-SAM
圖4 滿(mǎn)足MSL1存儲條件并在2000次溫度循環(huán)后的TO-247PLUS SMD管腳頂部的C-SAM
01 熱性能測試
針對電機驅動(dòng)器的大電流測試，將該器件安裝DCB 上，在該應用相關(guān)的條件下進(jìn)行測試用來(lái)評估TO-247PLUS SMD封裝的在該應用條件下的熱性能。
3.1 測試設置和條件
這些評估中使用的測試樣品是750V/200A的EDT2 IGBT芯片和200A的EmCon3二極管芯片封在TO-247PLUS SMD封裝中，設計用于主驅系統，特別是CAV應用。EDT2 IGBT針對汽車(chē)應用，使用了微溝槽柵設計，針對10kHz范圍內的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化，降低了導通和開(kāi)關(guān)損耗。圖10是DUT組裝DCB并安裝在底板上的圖形說(shuō)明。
圖10 測試組件。12個(gè)單管IGBT通過(guò)DCB安裝在水冷散熱器上
兩個(gè)單管并聯(lián)，使用B6拓撲，總共有12個(gè)測試樣品。所有的DUT都被回流焊接在DCB上，并安裝在水冷散熱器基板上。負載是一個(gè)永磁電機。熱電偶被用來(lái)監測IGBT溫度、散熱器基板和進(jìn)水/出水口。該逆變器的母線(xiàn)電壓為310V，水溫被設定為 27°C。
3.2 測試結果
熱測試涉及最壞條件下的應用情況。在低開(kāi)關(guān)頻率下，變頻器各相上的IGBT都會(huì )在較長(cháng)的時(shí)間內導通高峰值電流。如果冷卻設計不合適，IGBT/二極管將被加熱,可能達到超過(guò)芯片的溫度。
堵轉工況是電機驅動(dòng)的極端工況，考驗著(zhù)系統的散熱能力和極限性能。下面是堵轉測試的結果。
表1 10kHz開(kāi)關(guān)頻率下的堵轉測試數據
表2 4kHz開(kāi)關(guān)頻率下的堵轉數據
03 結論
TO-247PLUS SMD是對CAV這些需要高功率密度和可靠的功率半導體的應用來(lái)講是理想的單管封裝。該封裝能夠在DCB上進(jìn)行回流焊接，不會(huì )產(chǎn)生分層。這最大限度地減少了從器件芯片到DCB的熱阻。應用測試驗證了EDT2 IGBT與EmCon3二極管共同封裝在TO-247PLUS SMD中，滿(mǎn)足了CAV應用的要求。與系統短路測試相當的堵轉測試，器件可在最大允許的工作結溫內運行。
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