【導(dǎo)讀】今天，功率半導(dǎo)體為很多應(yīng)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過使用IGBT焊接在雙面覆銅陶瓷板(DCB)上可以幫助減少散熱系統(tǒng)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(nóng)業(yè)車輛(CAV)應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)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(dǎo)體應(yīng)具有較低的損耗，并在標(biāo)準(zhǔn)封裝中使用盡可能大的芯片，系統(tǒng)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。為了滿足較低的系統(tǒng)損耗和可靠的運(yùn)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(tǒng)。更高的阻斷電壓為雜散電感產(chǎn)生的關(guān)斷應(yīng)力提供了更多的設(shè)計(jì)裕量。為了滿足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(wěn)健性和出色的輕載功率損耗，EDT2技術(shù)是CAV應(yīng)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(tǒng)的熱阻降至最低。一種解決方案是將封裝的背面通過DCB焊接到水冷散熱器上。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)TO247封裝進(jìn)行改進(jìn)。使用共聚焦掃描聲學(xué)顯微鏡(CSAM)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的TO-247和改進(jìn)的TO-247PLUS封裝進(jìn)行評(píng)估。滿足濕度敏感水平(MSL) 3存儲(chǔ)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(xù)30秒。TO-247PLUS 封裝的改進(jìn)版是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JEDECJ-STD-020E設(shè)計(jì)和認(rèn)證的。圖1展示了標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝的結(jié)果。
Fig.1 標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝的CSAM
在引腳頂部以及芯片表面可以觀察到明顯的分層。眾所周知，這種分層會(huì)在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)試結(jié)果。芯片頂部、芯片墊片、引腳頂部或芯片焊接層沒有分層。因此,這種封裝是回流焊接的理想選擇。
圖2 滿足MSL1存儲(chǔ)條件的TO-247PLUS單管經(jīng)過1000次溫度循環(huán)后的C-SAM
還進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試,以確定TO-247PLUS封裝適用于表面貼裝器件的極限。滿足MSL1存儲(chǔ)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(xù)30s，該封裝經(jīng)歷了多達(dá)2000次溫度循環(huán)。圖3和圖4顯示了CSAM的測(cè)試結(jié)果。沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的分層或電氣故障。這進(jìn)一步驗(yàn)證了TO-247PLUS SMD封裝改進(jìn)版的有效性。
圖3 滿足MSL1存儲(chǔ)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 滿足MSL1存儲(chǔ)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(cè)試
針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的大電流測(cè)試，將該器件安裝DCB 上，在該應(yīng)用相關(guān)的條件下進(jìn)行測(cè)試用來評(píng)估TO-247PLUS SMD封裝的在該應(yīng)用條件下的熱性能。
3.1 測(cè)試設(shè)置和條件
這些評(píng)估中使用的測(cè)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(shè)計(jì)用于主驅(qū)系統(tǒng)，特別是CAV應(yīng)用。EDT2 IGBT針對(duì)汽車應(yīng)用，使用了微溝槽柵設(shè)計(jì)，針對(duì)10kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化，降低了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。圖10是DUT組裝DCB并安裝在底板上的圖形說明。
圖10 測(cè)試組件。12個(gè)單管IGBT通過DCB安裝在水冷散熱器上
兩個(gè)單管并聯(lián)，使用B6拓?fù)洌偣灿?2個(gè)測(cè)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(fù)載是一個(gè)永磁電機(jī)。熱電偶被用來監(jiān)測(cè)IGBT溫度、散熱器基板和進(jìn)水/出水口。該逆變器的母線電壓為310V，水溫被設(shè)定為 27°C。
3.2 測(cè)試結(jié)果
熱測(cè)試涉及最壞條件下的應(yīng)用情況。在低開關(guān)頻率下，變頻器各相上的IGBT都會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通高峰值電流。如果冷卻設(shè)計(jì)不合適，IGBT/二極管將被加熱,可能達(dá)到超過芯片的溫度。
堵轉(zhuǎn)工況是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的極端工況，考驗(yàn)著系統(tǒng)的散熱能力和極限性能。下面是堵轉(zhuǎn)測(cè)試的結(jié)果。
表1 10kHz開關(guān)頻率下的堵轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)
表2 4kHz開關(guān)頻率下的堵轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)
03 結(jié)論
TO-247PLUS SMD是對(duì)CAV這些需要高功率密度和可靠的功率半導(dǎo)體的應(yīng)用來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(yīng)用測(cè)試驗(yàn)證了EDT2 IGBT與EmCon3二極管共同封裝在TO-247PLUS SMD中，滿足了CAV應(yīng)用的要求。與系統(tǒng)短路測(cè)試相當(dāng)?shù)亩罗D(zhuǎn)測(cè)試，器件可在最大允許的工作結(jié)溫內(nèi)運(yùn)行。
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