由于對提高功率密度的需求，功率器件、封裝和冷卻技術面臨獨特的挑戰(zhàn)。在功率轉(zhuǎn)換過程中，高溫和溫度波動限制了設備的最大功率能力、系統(tǒng)性能和可靠性。本文將總結(jié)兩種不同的技術，以最大化功率模塊和器件的熱性能和功率密度。

非隔離芯片組裝與直接液冷

半導體功率模塊通常由安裝在直接銅鍵合(DCB)基板上的功率器件芯片組成。對于中高功率模塊，這種基板一般是電絕緣陶瓷，如氧化鋁(鋁土礦：Al?O?)、氮化硅(Si?N?)或氮化鋁(AlN)。該基板可以熱連接到如銅等底板上，外部散熱器可以附加在其上。寬禁帶(WBG)半導體材料如碳化硅(SiC)具有更高的效率和功率密度。

在模塊組裝過程中，已經(jīng)進行了多項技術改進，以提高其熱性能，從而最大化功率器件的能力。這些進展包括用于芯片連接的燒結(jié)和擴散焊接，以及熱性能更好的高性能陶瓷，如氮化硅(Si?N?)和氮化鋁(AlN)。陶瓷基板可能是模塊熱阻的重要因素，即使使用先進的陶瓷，電氣絕緣所需的厚度與由此產(chǎn)生的熱阻之間也存在固有的權衡。

與上述隔離模塊相反，高功率盤狀器件通常使用電導冷板(如鋁)構(gòu)建。在冷板內(nèi)流動的電氣非導電液體(如去離子水與乙二醇的混合物)可用于主動冷卻。功率器件與散熱器之間缺乏絕緣層改善了熱性能。這個概念已在Si IGBT芯片上得到驗證，具體細節(jié)如下。

設置1：帶線焊裝配的先進IGBT芯片

在此方案中，將兩個額定1200 V/200 A的IGBT芯片焊接到液冷板上。冷板成為IGBT集電極的電連接，同時發(fā)射極和控制引腳需要隔離端子。芯片尺寸約為200 mm2，設計先進，額定200 A下的正向電壓僅為1.2 V。這種新設計還將額定電流的去飽和比提高到6以上，使得功率損失密度超過600 W/cm2(在650 A時，2 V的正向壓降導致200 mm2芯片的凈損失為1300 W)。

每個芯片使用八根25 A能力的金線將發(fā)射極與功率端子連接。芯片經(jīng)過黑化處理以進行熱測量。使用高電流、低電壓電源為芯片提供電力。電流以50 A的增量增加，直到達到允許的最大芯片結(jié)溫150 °C。組裝的芯片在冷板上的圖像以及在每個芯片200 A電流下拍攝的熱成像如圖1所示。

在此設置中，金線將最大電流限制在250 A，達到這一點時金線熔斷。芯片及其組裝的優(yōu)異熱性能在額定200 A下，芯片溫度僅上升70 K，表明熱阻小于0.1 K/W。

設置2：帶夾具裝配的IGBT芯片

為了消除上述設置中金線的限制，使用了具有可焊前面金屬化的IGBT芯片，允許在IGBT前表面進行夾具頂面裝配。183 mm2的芯片額定1200 V/150 A，并未采用設置1中使用的先進低正向電壓設計。組裝芯片的圖像及其在每個芯片200 A下的熱成像如圖2所示。可以看到，金線限制已被消除。在此設置中，芯片的最大功率損失密度為380 W/cm2。在驅(qū)動150 A設備的200 A時，結(jié)溫仍遠低于175 °C。

設置2經(jīng)歷了功率循環(huán)(PC)測試。在此測試中，入口溫度為12 °C，使用4秒周期、50%的占空比和250 A的負載電流實現(xiàn)了90 K的芯片溫度波動。圖3所示的結(jié)果表明，使用5%的正向電壓增量標準，實現(xiàn)了145,000次循環(huán)的使用壽命。通過提升芯片金屬化、焊料合金和焊接工藝，這方面的進一步改進是可能的。

應用

上述非隔離模塊適用于高功率應用，如風力發(fā)電的可再生能源、鋼鐵行業(yè)中的金屬熔化或感應加熱焊接、電池斷路器和斷路器。

集成液冷可以提高各種系統(tǒng)組件的可靠性和壽命，包括功率器件、端子和直流鏈接電容器，并簡化因溫度較低而降低的操作的外殼設計。

隔離TO-247封裝

ISOPLUS?是由IXYS于2003年首次在鋁土礦基板上開發(fā)的內(nèi)部隔離離散功率封裝系列。ISO247屬于ISOPLUS?系列，具有與標準TO-247封裝兼容的外形尺寸。ISO247的基本概念是為暴露的排水墊提供固有的電氣隔離，同時保持從芯片到該墊的高熱導率。

TO-247在與散熱器連接時需要外部絕緣，而可以使用電絕緣、熱導的膠帶來實現(xiàn)。然而，這可能顯著增加器件結(jié)到散熱器的熱阻。增加的熱阻可能會顯著阻礙最佳性能和功率能力，尤其對SiC等WBG器件而言，高功率往往是關鍵的系統(tǒng)需求。

本研究中使用的ISO247封裝經(jīng)過增強，以滿足SiC MOSFET等高功率器件的要求，包括：

使用Si?N?陶瓷基板，提供約90 W/mK的高熱導率，以及約2.4 ppm/K的小熱膨脹系數(shù)，與半導體芯片相似。高電氣絕緣性和優(yōu)良機械性能使其成為高功率密度應用的優(yōu)秀候選材料。本研究中使用的ISO247的絕緣等級為1分鐘下的2.5 kV AC或1秒下的3 kV AC。

采用混合活性金屬釬焊(H-AMB)技術在基板上創(chuàng)建金屬化。這包括初步的濺射過程和活性金屬填充層，隨后在約850°C的溫度下將銅釬焊到該濺射表面。H-AMB工藝帶來了卓越的熱導率、成本效益和無空洞的粘合表面。

ISO247和TO-247的結(jié)構(gòu)及安裝差異如圖4所示。

SiC MOSFET熱性能比較

使用一個1200 V、25 mΩ的SiC MOSFET芯片對ISO247和TO-247的熱性能進行了比較。在TO-247的情況下，使用了熱導率為1.8 W/mK和6.5 W/mK的外部隔離膠帶。ISO247在隔離封裝排水墊和散熱器之間使用了熱導膠。設備安裝在保持恒定30 °C的水冷散熱器上。

圖5中顯示了40 A加熱電流下的熱阻(RthJH)和結(jié)溫(Tvj)數(shù)據(jù)。

ISO247的RthJH比TO-247在更高熱導率的熱膠帶下低55%，并且在相同的器件功率和外部冷卻條件下，從芯片到散熱器的溫度波動降低了39%。這些改善的指標可以直接與由于降低的熱機械應力而提高的可靠性相關聯(lián)，同時由于在高溫下器件損失和泄漏的典型增加，性能也得到了提升。

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