低電感薄型IGBT模塊

1、S IL VE RMI CR ONanjing SilverMicro Electronics,LTD 低電感薄型 IGBT 模塊   袁磊  南京銀茂微電子制造有限公司    摘要 : IGBT模塊已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè) . 現(xiàn)在系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越要 求功率電子器件具有更高的功率密度 , 更優(yōu)化的電性能 , 更高的可靠性及簡(jiǎn)單 的安裝方法 . 在現(xiàn)有的產(chǎn)品上進(jìn)行優(yōu)化 , 兼容的同時(shí)保證高的可靠性 , 已成為 功率模塊開(kāi)發(fā)的目標(biāo) .關(guān)鍵詞 :薄型封裝 , 雜散電感 , IGBT模塊 , 可靠性1. 前言  基于

2、 94*34mm封裝的 IGBT 模塊在過(guò)去的十多年中已經(jīng)在眾多行業(yè)得到了 廣泛的應(yīng)用。 從此各大公司在兼容這個(gè)模塊尺寸的同時(shí)不斷推出自己的模 塊封裝形式。南京銀茂微電子推出了 34mm 簿型低電感的模塊 (下文稱(chēng) T1封裝 。  T1 采用了高功率密度設(shè)計(jì),并根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用需求,選擇 最佳的 IGBT 和 FRD 的芯片組合 ,  使新型模塊與同等安裝尺寸的傳統(tǒng)功率 模塊相比,電流輸出能力更高,關(guān)斷峰值電壓更低。同時(shí),功率端子的無(wú) 釬焊極大地提高了模塊在環(huán)境溫度循環(huán)和功率循環(huán)條件下端子連接的可 靠性,為系統(tǒng)可靠性的提升提供了基礎(chǔ) (圖 1是 T1模塊(左和其

3、他公司 模塊(右的實(shí)物和外形尺寸比較     圖 1:T1封裝與傳統(tǒng)封裝的外形比較Application NoteS IL V E RONanjing SilverMicro Electronics,LTD2. 材料T1封裝模塊的外殼采用高強(qiáng)度材料,嚴(yán)格控制端子電鍍工藝 ,保證模塊 在長(zhǎng)期高溫條件下使用時(shí)外殼的牢固 ,并配有獨(dú)特的蓋板設(shè)計(jì)保證了使 用過(guò)程中的安全.3. RoHS 工藝新型模塊的生產(chǎn)工藝使用了無(wú)鉛工藝,端子和 DBC 采用無(wú)焊接工藝,是符 合了 RoHS 要求的綠色產(chǎn)品.4. 端子無(wú)焊接工藝傳統(tǒng)模塊功率端子和 DBC 的 連接是采用釬焊 , 考慮到應(yīng)

4、 力的變化 , 端子設(shè)計(jì)采用 ” S ” 型 , 實(shí)際使用時(shí)模塊經(jīng)受溫 度變化循環(huán) , 焊接點(diǎn)容易疲 勞 , 可靠性比較低 , 工藝過(guò)程 , 焊料的使用等難以控制。  T1模塊功率端子和 DBC 的連接采用先進(jìn)的超聲 波鍵合 , 多根鋁線并行使 用 , 去除傳統(tǒng)的 ”S” 型設(shè) 計(jì) , 降低的端子電感 , 焊點(diǎn) 的可靠性增加 , 增加了負(fù) 載循環(huán)能力 ,  延長(zhǎng)了模 塊的使用壽命。   圖 2. 模塊結(jié)構(gòu)  5. 功率循環(huán)能力  在功率模塊的實(shí)際應(yīng)用中 ,模塊的可靠性主要受到熱應(yīng)力的影響, 如電 機(jī)的滿載和輕載的變化,變頻器輸出頻率的

5、變化,這些變化都會(huì)產(chǎn)生溫度 的變化,材料間存在不同的熱膨脹系數(shù),釬焊在熱應(yīng)力下很容易疲勞,導(dǎo)致 端子脫落失效,T1封裝通過(guò)端子和 DBC 之間采用超聲波鍵合工藝,大幅提 高了功率端子的負(fù)載循環(huán)能力. (圖 3是端子采用焊接的模塊與 T1模塊在 不同殼溫變化下功率循環(huán)的能力Application NoteS I L VE RM I C RO圖 3:不同殼溫變化下功率循環(huán)能力6.新型低電感功率端子設(shè)計(jì)圖 5.T1端子和 S 端子比較T1新型模塊的功率端子擯棄了釬焊與 DBC 基板的連接方式,而是采用了高純 度鋁線超聲波鍵合的方式,使兩者之間的應(yīng)力大為降低。由于省卻了傳統(tǒng)的 S 型設(shè)計(jì),端子的長(zhǎng)度減

6、少了 1/3,從而減少了模塊本身的寄生電感和端子的 電阻。相比傳統(tǒng) 34mm 封裝的端子,電感降低了 30%,優(yōu)化了關(guān)斷特性,同時(shí)也 降低了使用過(guò)程中在端子上所產(chǎn)生的功耗.圖 6:新型端子的安裝Application NoteS IL VE RMI CRO7.開(kāi)關(guān)特性新的 T1封裝設(shè)計(jì)推出了低損耗,快速,標(biāo)準(zhǔn)等 IGBT 模塊,適用于變頻器, 電機(jī)控制,焊機(jī)、感應(yīng)加熱、開(kāi)關(guān)電源和 UPS 等不同要求的系統(tǒng)。通過(guò)在 高溫下測(cè)試模塊的動(dòng)態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)新的薄型端子無(wú)焊接的封裝設(shè)計(jì)大大降 低了器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗,優(yōu)化 RBSOA 等特性及減小了關(guān)斷時(shí)的 電壓過(guò)沖.GL90HF120T1-turn

7、 off BSM75GB120DLC-turn offCh1:IC=30A/div;ch2:Vcc=200V/div; Ch1:IC=30A/div;ch2:Vcc=200V/div;圖 7.T1封裝與標(biāo)準(zhǔn)的封裝關(guān)斷特性波形比較 Tj=125圖7是在相同的測(cè)試裝置和測(cè)試條件下測(cè)得 2種低損耗器件的關(guān)斷波形,由 圖可以得出 T1的電壓過(guò)沖Vc1=180V;DLC 封裝的電壓過(guò)沖Vc2=220V 所以計(jì)算得出:T1封裝模塊:di/dt=72A/0.386us=187A/us Vc1=L1*di/dtL1=Vc1/di/dt=180V/187A/us=960nHDLC 封裝:di/dt=72/0.3

8、20us=225A/us Vc2=L2*di/dtL2=Vc2/di/dt=220V/225A/us=978nH相同裝置的測(cè)試條件下,模塊電感差異L=978-960=18nH.z 過(guò)流關(guān)斷特性(RBSOA圖8是兩種模塊在過(guò)流關(guān)斷時(shí)峰值電壓的比較Application NoteS IL VE R MI CRO GL90HF120T1-RBSOA BSM75GB120DLC-RBSOACh1:IC=50A/div;ch2:Vcc=200V/div; Ch1:IC=50A/div;ch2:Vcc=200V/div;圖 8.RBSOA 特性比較 Tj=125 Ic=2*Icnom;Vcc=600Vz 頻率特性薄型低電感封裝設(shè)計(jì)降低了模塊的開(kāi)關(guān)損耗,芯片空間布局的優(yōu)化減小熱阻 特性,保證模塊具有更高的頻率電流輸出特性.圖9比較了兩種低損耗IGB T模塊在不同開(kāi)關(guān)頻率下的有效輸出電流,由圖可以看出在相同頻率下 T1模塊的輸出電流能力更高,給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者留下更多的余量考慮。圖 9:不同頻率下輸出電流的比較8.新型封裝更適用于高頻快速型 IGBT 模塊通常在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)20kHz的應(yīng)用領(lǐng)域,一般要求功率器件具有優(yōu)異的高速開(kāi)關(guān) 性能,然而隨