利用SLC技術(shù)改善熱導(dǎo)率，增強IGBT模塊功率密度

第七代工業(yè)IGBT模塊已成功開發(fā)用于650V和1200V級，以滿足高效率、高功率密度和高可靠性等重要電力電子系統(tǒng)要求。與低損耗第七代芯片組結(jié)合的SLC技術(shù)在熱循環(huán)能力、無“泵出故障”封裝和低熱阻等方面的卓越表現(xiàn)，是第七代NX型IGBT模塊成功的關(guān)鍵原因。為了將該技術(shù)擴展到1700V級IGBT模塊，已經(jīng)改善了SLC技術(shù)IMB的絕緣能力和熱導(dǎo)率。

第七代650V和1200V級工業(yè)IGBT模塊已在市場上推出。在這一新一代IGBT模塊中，采用了最新的芯片技術(shù)，以滿足工業(yè)電力電子應(yīng)用的需求。所有應(yīng)用都利用了第七代NX型IGBT模塊的優(yōu)越特性，包括緊湊性、高功率密度、高可靠性、高效率和合理的成本。為了將適用范圍擴展到1700V級模塊，作為SLC技術(shù)關(guān)鍵元素的IMB(絕緣金屬基板)得到了改善。

SLC技術(shù)具備高熱導(dǎo)率和絕緣特性

Al2O3基板通常用作功率模塊中的絕緣層。然而，三菱電機在第五代和第六代IGBT模塊中采用了氮化鋁(AlN)基板。由于使用AlN而非Al2O3所實現(xiàn)的優(yōu)越熱導(dǎo)率，芯片與基板之間的總熱阻Rth(j-c)降低了約35%(見圖1)。

然而，進(jìn)一步提高陶瓷的熱導(dǎo)率是困難的。此外，由于這些材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配，在熱循環(huán)過程中，陶瓷層與金屬層之間的互連會受到應(yīng)力。然而，使用更薄的陶瓷基板以提高熱阻并不總是最佳選擇。

基板越薄，因機械應(yīng)力而受到損壞的敏感性就越高。為了解決這個問題，開發(fā)了具有IMB結(jié)構(gòu)的SLC技術(shù)。這一新結(jié)構(gòu)的橫截面如圖2所示。

通過選擇IMB絕緣樹脂層的CTE值接近上下金屬層的CTE值，可以減少由于CTE值不匹配引起的機械應(yīng)力。因此，與使用陶瓷隔離基板的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，IMB中的絕緣層厚度可以減少，而金屬層的厚度可以相應(yīng)增加。通過這種方法，可以選擇一個較厚的金屬層作為底部，替代金屬基板，消除傳統(tǒng)模塊中基板與陶瓷基板之間的大焊料層區(qū)域。因此，熱阻和熱循環(huán)能力得以改善。

與陶瓷基板上可用于芯片安裝的表面積相比，新開發(fā)的IMB的表面積可以增大，因為IMB沒有陶瓷基板所固有的尺寸限制。消除這一尺寸限制后，IMB的大小和形狀設(shè)計更加靈活。因此，通過消除多個隔離基板之間的互連線，可以在模塊中實現(xiàn)更高的芯片安裝密度。此外，上側(cè)金屬層的厚度可以增加，從而降低電氣引線的電阻。這使得可以設(shè)計更窄電流通路的頂部金屬化模式，從而進(jìn)一步增加可用于芯片安裝的面積，提高模塊的功率密度。

通過增加上側(cè)金屬層的厚度，獲得的第二個積極結(jié)果與熱擴散效應(yīng)相關(guān)，這促使“Rth(j-c)”的熱阻和“Zth(j-c)”的瞬態(tài)熱阻因熱容量的增強而進(jìn)一步降低。

IMB特性優(yōu)化以實現(xiàn)更高的絕緣電壓

第七代NX型IGBT模塊的完整系列如表2所示。650V和1200V級模塊的絕緣電壓規(guī)定為Viso=2.5kV AC 1min，而1700V級模塊的絕緣電壓為Viso=4kV AC 1min。

模塊封裝的示例如圖3所示。對于650V、1200V和1700V電壓等級的600A 2合1模塊，采用相同的封裝尺寸(62mm x 152mm)。

在相同的封裝尺寸(62mm x 152mm)下，IMB必須在Vces=1700V和Viso=4kV時改進(jìn)，以實現(xiàn)同樣的600A額定模塊電流。必須提高絕緣樹脂層的比熱導(dǎo)率，以補償Viso=4kV所需的額外絕緣層厚度。

IMB的絕緣層由樹脂和陶瓷顆粒組成。為了提高熱導(dǎo)率，必須增加絕緣層內(nèi)的導(dǎo)熱路徑面積，即陶瓷顆粒與樹脂數(shù)量的比率。如果增加陶瓷顆粒與樹脂數(shù)量的比率，樹脂的數(shù)量就會減少。樹脂數(shù)量的減少導(dǎo)致粘度降低，因此在IMB制造過程中需要在較高的壓力下進(jìn)行(需要去除氣泡)。如果顆粒體積濃度超過臨界值，介電擊穿電壓能力和熱導(dǎo)率會因陶瓷顆粒之間的氣泡而降低。陶瓷顆粒的數(shù)量、樹脂數(shù)量和陶瓷顆粒大小的分布需要優(yōu)化，以減少氣泡、保持高流動性并在模壓時保持所需的壓力，通過這種優(yōu)化，可以增強熱導(dǎo)率和耐壓特性。

圖4顯示了IMB的熱阻與樹脂絕緣層厚度的測量結(jié)果。與傳統(tǒng)IMB相比，IMB的總熱阻約改善35%，因為樹脂絕緣層的熱導(dǎo)率提高了50%。新IMB的局部放電起始電壓(PDIV)對層厚度的依賴性幾乎與傳統(tǒng)IMB相同。因此，所提議的IMB在具有改進(jìn)的熱導(dǎo)率的同時，已確認(rèn)具有相當(dāng)?shù)腜DIV和絕緣特性。

圖5展示了通過改進(jìn)IMB實現(xiàn)的封裝尺寸縮減示例。對于之前的第六代和第七代600A/1700V 2合1模塊，封裝面積分別為114mm x 114mm和62mm x 152mm，相當(dāng)于49%的減少。

圖6總結(jié)了新IMB與傳統(tǒng)IMB的特性。經(jīng)過驗證，新IMB在1700V模塊的熱阻約比傳統(tǒng)IMB在1200V模塊的熱阻改善5%。

另一方面，新IMB也可能降低650V和1200V級IGBT模塊的熱阻。將低損耗第七代芯片與所提議的改進(jìn)SLC技術(shù)結(jié)合，將進(jìn)一步提高模塊的電流密度。該選項目前正在研究中。

高熱循環(huán)能力

SLC技術(shù)利用匹配CTE值的層，如前所述。此外，環(huán)氧樹脂封裝可以減少芯片下焊料層的應(yīng)變。這確保了熱循環(huán)和熱循環(huán)中的高可靠性。圖7顯示了在初始進(jìn)行的熱循環(huán)測試(-40~+125攝氏度)下的掃描聲學(xué)層析成像(SAT)圖像，經(jīng)過300次和600次循環(huán)后，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的陶瓷基板下焊料層出現(xiàn)退化。另一方面，采用DP封裝的新結(jié)構(gòu)僅在芯片下有焊料層，經(jīng)過600次循環(huán)后未觀察到退化。這一結(jié)果表明，消除了基板焊料層并利用了環(huán)氧樹脂層的效果。

圖8顯示了熱循環(huán)測試的結(jié)果(ΔTc=80K(+45~+125°C))。新開發(fā)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過40k次循環(huán)測試，至今沒有出現(xiàn)故障。另一方面，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基板下焊料層出現(xiàn)了退化(類似于熱循環(huán)的結(jié)果)。由此可見，采用DP樹脂和IMB的新封裝相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯著提高了熱壽命循環(huán)能力。這一方面得益于消除了絕緣層下的焊料層，從而減少了芯片下的焊料層應(yīng)變。

SLC技術(shù)提供無“泵出故障”的封裝

通過改進(jìn)IMB，結(jié)與外殼之間的熱阻得到了成功降低。為了實現(xiàn)更高的功率密度和高可靠性，必須優(yōu)化基板與散熱器之間的熱阻Rth(c-s)。

通常，在模塊的基板與散熱片之間應(yīng)用熱界面材料，以增強熱接觸。必須注意，這些參數(shù)(如厚度、性能、材料性質(zhì))對熱散耗能力和可靠性有影響。另一方面，眾所周知，功率模塊的基板形狀會因IGBT和二極管芯片的功率損耗而產(chǎn)生溫度變化而變形。這種小但重復(fù)的基板變形會擠出熱界面材料，被稱為“泵出現(xiàn)象”。為了確保熱界面材料的長期穩(wěn)定性，需要開發(fā)一種先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)，能夠防止在連續(xù)溫度循環(huán)下基板的翹曲。

傳統(tǒng)的功率模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其組件及熱膨脹系數(shù)(CTE)在表1中描述。在這一結(jié)構(gòu)中，陶瓷、焊料和銅基板作為模塊基礎(chǔ)的組成部分，具有不同的CTE值。當(dāng)因各個IGBT/FWDs的操作產(chǎn)生熱量而使外殼溫度變化時，每個組件因不同的CTE值而以不同的程度膨脹和收縮。最終，各層之間的差異應(yīng)變導(dǎo)致差異變形，類似于典型的雙金屬結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象是基板翹曲的原因。

功率模塊中的重復(fù)溫度變化會導(dǎo)致基板的重復(fù)翹曲，如圖9(a)和(b)所示。這種翹曲擠出了熱界面材料。這種泵出現(xiàn)象導(dǎo)致基板與散熱片之間的熱接觸不良，從而造成Rth(c-s)和功率模塊的熱散耗能力退化。其結(jié)果將是功率模塊的加速老化，在最壞的情況下，當(dāng)結(jié)溫超過絕對最大額定值時，模塊可能發(fā)生熱失效。

新的封裝結(jié)構(gòu)通過匹配組件材料的CTE值，可以顯著減少模塊材料之間的差異應(yīng)變。封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其CTE值分別在表1和圖2中描述。這一與CTE值相符的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)致因溫度變化而造成的基板變形顯著減少。圖10顯示了基板組件(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu))的應(yīng)力分析結(jié)果(有限元法)。圖10中位移的大小經(jīng)過相同的放大因子處理，以使差異更加明顯。

模擬結(jié)果表明，采用樹脂材料的新結(jié)構(gòu)在溫度變化期間，對基板變形的響應(yīng)得到了改善。

為進(jìn)行實驗驗證，在氣候室(也稱為環(huán)境室)控制的三個不同環(huán)境溫度下，測量了基板中心點的垂直位移。參考長度為91mm(縱向方向)。在25°C到125°C的溫度變化中測得的位移僅為13.4μm，這意味著基板沒有顯著的翹曲。在與典型的熱界面材料進(jìn)行的實際評估中，經(jīng)過300次熱循環(huán)(-40°C ~ +125°C)后未發(fā)現(xiàn)泵出現(xiàn)象。

確認(rèn)新型功率模塊結(jié)構(gòu)在相鄰層之間具有匹配的熱膨脹系數(shù)，能夠在溫度循環(huán)期間最小化基板的翹曲，從而顯著降低泵出故障事件的可能性。

總結(jié)

改進(jìn)的SLC技術(shù)使得第七代NX系列IGBT模塊的產(chǎn)品線擴展到1700V級，利用了改進(jìn)IMB的較高絕緣電壓和優(yōu)越的熱導(dǎo)率。這項技術(shù)使我們能夠開發(fā)出122x62mm2尺寸的600A/1700V模塊。

SLC技術(shù)還提供了顯著改善的熱循環(huán)能力，同時消除了泵出故障。第七代芯片通過降低功率損耗提供了卓越的效率。將該芯片與SLC技術(shù)結(jié)合，新開發(fā)的第七代NX系列IGBT為高效率、高功率密度和高可靠性等電力電子系統(tǒng)的要求提供了優(yōu)秀的解決方案。