減少二氧化碳的排放和可持續(xù)性發(fā)展——這些是我們這個(gè)時(shí)代的流行語。為了不辜負(fù)這些今天和明天的流行語，需要先進(jìn)的電控驅(qū)動(dòng)技術(shù)涉足新的領(lǐng)域。其中一個(gè)最大且最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域是汽車產(chǎn)業(yè). 現(xiàn)有的功率模塊無法滿足該行業(yè)的嚴(yán)格要求，這就是為什么它們不能服務(wù)市場(chǎng)的原因。為了面對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，賽米控開發(fā)了SKiM（賽米控集成模塊），適用于汽車工業(yè)的IGBT模塊。

　　如果電力電子系統(tǒng)將被用于電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車，必須具備相當(dāng)多的條件：模塊必須緊湊且重量輕，同時(shí)要能夠滿足大量的沖擊和振動(dòng)要求。運(yùn)行期間起主要影響的環(huán)境溫度通常超過125 °C，而在汽車停止時(shí)可能會(huì)降到冰點(diǎn)以下。使用的冷卻劑通常溫度約為105 °C，但在某段短暫的時(shí)間內(nèi)會(huì)變得更熱，導(dǎo)致模塊內(nèi)的芯片溫度Tj > 150 °C。這些溫度導(dǎo)致極端的溫度波動(dòng)，這會(huì)大幅縮短常規(guī)模塊的使用壽命[1>。

　　　　表1顯示了汽車工業(yè)對(duì)與功率模塊的要求

尋找一個(gè)解決方案

　　常規(guī)IGBT模塊，包括那些賽米控生產(chǎn)的，是基于3mm厚底板設(shè)計(jì)的，如圖1所示。一個(gè)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(dǎo)線用于連接硅片的上部和基板。

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　　　　　　　　　圖. 1: 常規(guī)IGBT模塊的基本設(shè)計(jì)

　　常規(guī)IGBT模塊故障的主要原因是溫度波動(dòng)而導(dǎo)致的焊層疲勞或斷裂。疲勞會(huì)導(dǎo)致模塊熱阻的增加，這是一個(gè)自加速的過程。就疲勞而言，它的產(chǎn)生是因?yàn)闃O端溫度波動(dòng)所致的熱誘機(jī)械應(yīng)力的變化；由于不同的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)牢固粘結(jié)材料溫度升高或降低時(shí)，機(jī)械應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生變化。DT的值越高，這一進(jìn)程發(fā)生的就越快。常規(guī)IGBT模塊不能滿足表1所示的要求。

　　解決該問題一個(gè)方法是采用具有更好自適應(yīng)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?yàn)槠錈崤蛎浵禂?shù)比單獨(dú)的銅小很多。但是，碳化硅鋁的導(dǎo)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(yè)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(gè)問題。尋找的結(jié)果就是SKiiP技術(shù)（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(shù)的IGBT模塊的設(shè)計(jì)

　　SKiiP模塊中，使用機(jī)械壓接系統(tǒng)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(huì)產(chǎn)生可怕的機(jī)械應(yīng)力。焊接上的芯片的連接非常的小，且對(duì)于硅片來說，基板的熱膨脹系數(shù)是最合適的。因此基于這種技術(shù)的模塊比常規(guī)有底板模塊具有高得多的熱循環(huán)能力。

SKiM 63 和 SKiM 93

　　為了建立長(zhǎng)期可靠且超級(jí)緊湊型模塊，SKiiP技術(shù)被當(dāng)作進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，從而帶來了SKiM系列的開發(fā)。SKiM 63和SKiM 93是首先采用這種新技術(shù)兩個(gè)模塊，目前可作為原型機(jī)。這些模塊專為是用于具有挑戰(zhàn)性功率密度和溫度要求的電動(dòng)汽車而開發(fā)。

　　一個(gè)SKiM模塊外殼內(nèi)是包含三個(gè)獨(dú)立半橋的六單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)半橋都配備了NTC溫度傳感器。為保持現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，DC和AC主端子的高度都是17mm，分布在模塊的兩個(gè)對(duì)邊。外殼的上部是驅(qū)動(dòng)端子，目的也是為了移除焊接連接。基于這個(gè)原因，驅(qū)動(dòng)器板采用彈簧觸點(diǎn)連接而非焊接。SKiM 63模塊和SKiM 93模塊的尺寸分別是114 x 160 mm? 和150 x 160 mm?。

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　　　　　　　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(shè)計(jì)具有非常低寄生模塊電感和電阻。

　　基板在許多不同的點(diǎn)壓置在散熱器上的事實(shí)意味著無雙金屬效應(yīng)。基板平放在散熱器上。, 導(dǎo)熱硅脂層僅20微米厚，遠(yuǎn)比常規(guī)帶底板的模塊要薄，那些模塊的通常約為100微米厚。這意味著，盡管熱擴(kuò)散相對(duì)較低，但能實(shí)現(xiàn)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?zé)Y(jié)技術(shù)連接芯片，而不是將芯片焊接在基板上[3>。在這種連接技術(shù)中，連接層由銀制成。由于銀的熔點(diǎn)非常高（960 °C），將不會(huì)產(chǎn)生那些在熔點(diǎn)< 300 °C的焊層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)。

　　要滿足給定熱循環(huán)能力要求，模塊必須要使用最新的工業(yè)塑料。對(duì)于SKiM模塊，賽米控選擇了CTI（相對(duì)電痕指數(shù)）> 600、RTI （相對(duì)溫度指數(shù)）為150 °C的聚酰胺。

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　　　　　圖 4：SKiM的溫度循環(huán)能力比標(biāo)準(zhǔn)模塊高5倍

IGBT / 二極管芯片

　　除了選擇最佳的機(jī)械設(shè)計(jì)外， IGBT和二極管芯片的完美結(jié)合也是必不可少的。對(duì)于設(shè)想的未來應(yīng)用，需要具有600 V和1200V斷態(tài)電壓的模塊。由于高溫的要求，600V應(yīng)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(shí)，1200V應(yīng)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(fā)的CAL I4 [4>。這些芯片的最大允許芯片溫度Tj,max = 175 °C，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(shù)數(shù)據(jù)可由這些芯片實(shí)現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)已被在現(xiàn)有原型機(jī)上進(jìn)行的初步電路測(cè)試證實(shí)。

　　　　　　表2：SKiM電氣參數(shù)

結(jié)論

　　SKiM是可在極端環(huán)境條件下滿足最高可靠性要求的功率半導(dǎo)體模塊。這是因?yàn)槭褂昧藟毫蛷椈捎|點(diǎn)技術(shù)代替焊接技術(shù)，以及使用了最新的工業(yè)塑料。結(jié)合最新IGBT和二極管技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高電功率密度——總之，模塊更緊湊、高效和可靠。

文獻(xiàn)

[1> U. Scheuermann, U. Hecht: Power Cycling Lifetime of Advanced Power Modules for Different Temperature Swings, PCIM Nürnberg 2002

[2> P. Beckedahl, W. Tursky, U. Scheuermann: Packaging considerations of an Integrated Inverter Module for Hybrid Vehicles, PCIM Nürnberg 2005

[3> C. Goebl, P. Beckedahl, H. Braml: Low temperature sinter technology – Die attachment for automotive power electronic applications, APE Conference Paris 2006

[4> V. Demuth, K. H?upl, B. K?nig, W.Nichtl-Pecher: CAL 4: The next Generation 1200V Freewheeling Diode, PCIM China 2007