如何通过创新封装技术提升功率器件性能

由于对提高功率密度的需求，功率器件、封装和冷却技术面临独特的挑战。在功率转换过程中，高温和温度波动限制了设备的最大功率能力、系统性能和可靠性。本文将总结两种不同的技术，以最大化功率模块和器件的热性能和功率密度。

非隔离芯片组装与直接液冷

半导体功率模块通常由安装在直接铜键合(DCB)基板上的功率器件芯片组成。对于中高功率模块，这种基板一般是电绝缘陶瓷，如氧化铝(铝土矿：Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)或氮化铝(AlN)。该基板可以热连接到如铜等底板上，外部散热器可以附加在其上。宽禁带(WBG)半导体材料如碳化硅(SiC)具有更高的效率和功率密度。

在模块组装过程中，已经进行了多项技术改进，以提高其热性能，从而最大化功率器件的能力。这些进展包括用于芯片连接的烧结和扩散焊接，以及热性能更好的高性能陶瓷，如氮化硅(Si₃N₄)和氮化铝(AlN)。陶瓷基板可能是模块热阻的重要因素，即使使用先进的陶瓷，电气绝缘所需的厚度与由此产生的热阻之间也存在固有的权衡。

与上述隔离模块相反，高功率盘状器件通常使用电导冷板(如铝)构建。在冷板内流动的电气非导电液体(如去离子水与乙二醇的混合物)可用于主动冷却。功率器件与散热器之间缺乏绝缘层改善了热性能。这个概念已在Si IGBT芯片上得到验证，具体细节如下。

设置1：带线焊装配的先进IGBT芯片

在此方案中，将两个额定1200 V/200 A的IGBT芯片焊接到液冷板上。冷板成为IGBT集电极的电连接，同时发射极和控制引脚需要隔离端子。芯片尺寸约为200 mm²，设计先进，额定200 A下的正向电压仅为1.2 V。这种新设计还将额定电流的去饱和比提高到6以上，使得功率损失密度超过600 W/cm²(在650 A时，2 V的正向压降导致200 mm²芯片的净损失为1300 W)。

图1

每个芯片使用八根25 A能力的金线将发射极与功率端子连接。芯片经过黑化处理以进行热测量。使用高电流、低电压电源为芯片提供电力。电流以50 A的增量增加，直到达到允许的最大芯片结温150 °C。组装的芯片在冷板上的图像以及在每个芯片200 A电流下拍摄的热成像如图1所示。

在此设置中，金线将最大电流限制在250 A，达到这一点时金线熔断。芯片及其组装的优异热性能在额定200 A下，芯片温度仅上升70 K，表明热阻小于0.1 K/W。

设置2：带夹具装配的IGBT芯片

为了消除上述设置中金线的限制，使用了具有可焊前面金属化的IGBT芯片，允许在IGBT前表面进行夹具顶面装配。183 mm²的芯片额定1200 V/150 A，并未采用设置1中使用的先进低正向电压设计。组装芯片的图像及其在每个芯片200 A下的热成像如图2所示。可以看到，金线限制已被消除。在此设置中，芯片的最大功率损失密度为380 W/cm²。在驱动150 A设备的200 A时，结温仍远低于175 °C。

图2

设置2经历了功率循环(PC)测试。在此测试中，入口温度为12 °C，使用4秒周期、50%的占空比和250 A的负载电流实现了90 K的芯片温度波动。图3所示的结果表明，使用5%的正向电压增量标准，实现了145,000次循环的使用寿命。通过提升芯片金属化、焊料合金和焊接工艺，这方面的进一步改进是可能的。

图3

应用

上述非隔离模块适用于高功率应用，如风力发电的可再生能源、钢铁行业中的金属熔化或感应加热焊接、电池断路器和断路器。

集成液冷可以提高各种系统组件的可靠性和寿命，包括功率器件、端子和直流链接电容器，并简化因温度较低而降低的操作的外壳设计。

隔离TO-247封装

ISOPLUS™是由IXYS于2003年首次在铝土矿基板上开发的内部隔离离散功率封装系列。ISO247属于ISOPLUS™系列，具有与标准TO-247封装兼容的外形尺寸。ISO247的基本概念是为暴露的排水垫提供固有的电气隔离，同时保持从芯片到该垫的高热导率。

TO-247在与散热器连接时需要外部绝缘，而可以使用电绝缘、热导的胶带来实现。然而，这可能显著增加器件结到散热器的热阻。增加的热阻可能会显著阻碍最佳性能和功率能力，尤其对SiC等WBG器件而言，高功率往往是关键的系统需求。

本研究中使用的ISO247封装经过增强，以满足SiC MOSFET等高功率器件的要求，包括：

使用Si₃N₄陶瓷基板，提供约90 W/mK的高热导率，以及约2.4 ppm/K的小热膨胀系数，与半导体芯片相似。高电气绝缘性和优良机械性能使其成为高功率密度应用的优秀候选材料。本研究中使用的ISO247的绝缘等级为1分钟下的2.5 kV AC或1秒下的3 kV AC。

采用混合活性金属钎焊(H-AMB)技术在基板上创建金属化。这包括初步的溅射过程和活性金属填充层，随后在约850°C的温度下将铜钎焊到该溅射表面。H-AMB工艺带来了卓越的热导率、成本效益和无空洞的粘合表面。

ISO247和TO-247的结构及安装差异如图4所示。

图4

SiC MOSFET热性能比较

使用一个1200 V、25 mΩ的SiC MOSFET芯片对ISO247和TO-247的热性能进行了比较。在TO-247的情况下，使用了热导率为1.8 W/mK和6.5 W/mK的外部隔离胶带。ISO247在隔离封装排水垫和散热器之间使用了热导胶。设备安装在保持恒定30 °C的水冷散热器上。

图5中显示了40 A加热电流下的热阻(RthJH)和结温(Tvj)数据。

图5

ISO247的RthJH比TO-247在更高热导率的热胶带下低55%，并且在相同的器件功率和外部冷却条件下，从芯片到散热器的温度波动降低了39%。这些改善的指标可以直接与由于降低的热机械应力而提高的可靠性相关联，同时由于在高温下器件损失和泄漏的典型增加，性能也得到了提升。

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