1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。SEMIKRON paper for AES 2008 - final paper_CHN_final首款100%無焊接大功率IGBT模塊在汽車領域取得卓越成就首款100%無焊接大功率IGBT模塊使得汽車性能優越Norbert Pluschke, 賽米控（香港）有限公司專為汽車應用需求而優化的新大功率IGBT模塊即將面世。它是市場上首款100%無焊接絕緣IGBT模塊。1992年賽米控引入了壓接技術。那時，賽米控推出了一款無底板IGBT模塊。（SKiiP技術）在DCB和底板之間無需焊接處理。電源和與DCB

2、相連的輔助端子的觸點不是通過焊接連接的。一種新的壓力系統取代了傳統的焊接系統，從而帶來了良好的可靠性以及低熱阻。15年后的今天，賽米控將推出完全未經焊接處理的無底板IGBT模塊。一般來說，IGBT芯片是焊接在DCB上，不過在新的IGBT模塊中，采用了新的燒結工藝將IGBT與DCB相連。負載循環期間的焊點疲勞將會導致熱阻增大以及模塊故障。燒結點是一層薄薄的銀，與焊接相比具有優良的熱阻特性，與此同時，由于銀的熔點高（960度），沒有發現有焊點疲勞現象，這將延長整個系統的使用壽命。賽米控可以將SKiiP技術與燒結技術相結合，其結果就是SKiM，一款新型無焊接IGBT模塊 3。1.使用壽命的要求在汽車

3、應用中，對于預期使用壽命的要求非常嚴格。電容器的使用壽命問題眾所周知，但對IGBT使用壽命問題的了解就沒那么普遍了。傳統IGBT模塊的結構如圖1所示。IGBT模塊在不同的層使用不同的材料。鍵合線焊接在IGBT芯片上，IGBT芯片焊接在DCB上，DCB焊接在底板上。所有材料的CTE（熱膨脹系數）不同。圖1- IBGT模塊的結構圖2-溫度變化在一些大功率的應用中，IGBT模塊的溫度和負載循環的問題就會暴露出來。環境會有很大的影響。（圖2）一年之中，周圍的溫度會變化。模塊溫度依賴于負載情況，這將影響底板的最高溫度。結溫（芯片溫度）會變化非常快（在驅動器加速和減速過程中），這會在IGBT模塊不同層之間

4、產生溫度差。如果溫度發生變化，IGBT模塊的各個材料層都將膨脹。由于CTE不同，各層的膨脹會帶來機械應力并在一段時間之后使熱阻增大。所以目標是開發一款各層材料CTE相似的IGBT模塊，以保證使用壽命長。2. SKiM模塊系列新的SKiM（SEMIKRON Integrated Module，賽米控集成模塊）功率模塊系列是下一代無底板超緊湊型壓接模塊。它沒有將DBC（Direct Bonded Copper，直接敷銅）基板焊接到底板上，而是直接壓在散熱器上。靠近每個芯片使用了多個壓接觸點，保持DBC平整且無有底板模塊所具有的雙金屬效應，雙金屬效應會干擾熱性能。底板的去除確保了高溫度循環能力（無C

5、TE不匹配所帶來的焊接疲勞效應）以及低熱阻。圖3展示了封裝外觀，圖4為帶壓接系統和輔助彈簧觸點的器件剖面圖。圖3 SKiM63 的封裝外觀圖電路是帶3個獨立半橋的6單元模塊。每個半橋有自己的DC端子并集成了NTC溫度傳感器。控制IGBT的輔助觸點由彈簧觸點制成。柵極驅動PCB無需焊接到模塊上。相反，驅動器是用螺絲擰在模塊的頂部，以確保高溫循環能力和經振動證明可靠的彈簧觸點。圖4 SKiM 模塊的剖面圖根據冷卻和運行條件，器件可用于的功率范圍在30 - 150kW之間。3.母線設計一個獨特的特點是層狀的內部母線設計（圖5）。設計并優化這樣一個母線是為了在模塊內實現多個功能：· 主端子和

6、芯片之間的低電感，低阻抗對稱連接，以保證并聯芯片間良好的電流共享· 滿足大功率逆變器設計要求的大電流能力· 為了實現低熱阻，在每個芯片附近提供壓力圖5 通過多個壓接觸點與DCB相連的層狀母線DC正極、負極和AC母線由經過壓折的銅片組成。母線的三明治結構通過各個芯片附近的多個壓接觸點壓在DBC基板上。大的接觸壓力確保了接觸電阻小，無需額外的焊接。3.1 低電感設計與各個獨立芯片并行連接的三明治結構保證了超低的內部電感。DC端子螺絲和AC端子之間的電感LCE小于10nH，DC正負極之間的總電感小于20nH。圖6 SKiM端子磁場強度及電感的仿真FEM仿真顯示出電感主要來源于+/

7、-DC端子之間的距離，三明治結構無法在那里進一步實現（參見圖6）。經過對此處進行優化，電感可減小30%（-10nH）。由于存在其他限制，如漏電和爬電距離，幾乎不可能再做進一步的改善。只有采用多個并行連接至直流環節，才有可能得到明顯更低的值，賽米控AIPM模塊實現了這種方式 1。用戶獲得的好處是在di/dt大的情況下內部電壓過沖小，這使得可以在高直流環節電壓下運行，并且即使在短路情況下也能安全關斷。無任何振蕩、干凈的開關波形使得開關損失小且EMI低 。此外，同步開關確保了所有芯片的開關損耗幾乎相等。4. DBC布局DBC基板和芯片位置的布局對功率半導體的開關特性和熱阻有著重大的影響。此外，合適的

8、傳感器位置有可能改善溫度保護的有效性。4.1 開關特性 開關特性取決于半導體的屬性，但也取決于模塊設計。由寄生電感導致的壓降要對并聯芯片間不同的開關速度和振蕩現象負責，即使這些半導體具有相同的屬性。為確保同步和“干凈”的開關，寄生電感應盡可能的小并且對所有半導體的影響相同。采用左右側各一個IGBT，中間一個續流二極管的這樣一種基本“構建模塊”的DBC設計能夠滿足要求。二極管與IGBT之間的電流通道要盡可能的短（參見圖7），上管和下管開關的之間電流通道與此類似。圖7 上管和下管開關的IGBT和續流二極管之間的通道圖8和圖9顯示了600A 900V DC下1200V SKiM63模塊的開關波形圖。

9、頂部和底部IGBT的開關損耗、過電壓以及di/dt幾乎相同。頂部和底部關斷時的電壓峰值差只有15V（1.3%）。圖8 兩倍額定電流600A(綠)，VCE(藍)，VGE(棕) 900VDC， 125°C時底部IGBT關斷開關波形圖9 兩倍額定電流600A(綠)，-VCE(藍) 900VDC，125°C時頂部IGBT關斷開關波形5. 封裝技術/可靠性苛刻的溫度循環需求排除了傳統銅底板功率模塊設計。不同的熱膨脹系數在不同材料之間的連接上施加壓力。AlSiC是一個可靠的替代品，但成本高，且與銅相比，熱阻高的多。此外，它只解決了被動溫度循環問題。無底板壓接模塊是現有的替代方法。在鄰近

10、并聯芯片的地方采用多個電氣壓力點的設計，保證了低熱阻和均勻的熱分布。與傳統的模塊設計相比，這兩個特點使得在功耗變化相同的情況下，新模塊的溫度波動小。較低的溫度差能夠增加器件的使用壽命。為了改善功率循環能力，即使是在高結溫情況下，采用了低溫燒結技術來將芯片和DBC基板連接起來。負載循環時，焊點疲勞，將會導致熱阻增大以及模塊故障。燒結點是一層薄薄的銀，與焊接相比具有優良的熱阻特性，與此同時，由于銀的熔點高（960°C），沒有發現有焊點疲勞現象，這將延長整個系統的使用壽命 2。壓力DBC 襯底 SubstrateSubstrate芯片圖10 焊接和燒結芯片在溫度循環測試中的對比由于采用了壓

11、接和彈簧觸點以及芯片燒結技術，這些模塊是完完全全的無焊接功率模塊。6 .總結介紹了一款專為汽車應用需求而優化的新功率模塊。它是首款100%無焊接絕緣IGBT模塊，采用了壓接和燒結技術。這確保了高的主動和被動溫度循環能力。該器件的設計在低熱阻和并聯芯片間對稱電流共享方面進行了優化。伴隨著最高175°C的結溫，可以實現高功率密度緊湊型逆變器設計。7. 參考文獻1 W. Tursky, P. Beckedahl, SEMIKRON International: ”Advanced Drive Systems”, IEEE PESC/CIPS 2004, Aachen, conference proceedings 2 C. Göbl, “Low temperature sinter technology die attachment for automotive power electronic applica