焊接可控硅模块的新装配工艺改善热性能使模块更加可靠

作者：Jie Ma, Melanie Gill，产品经理，赛米控

今天，市场发展的趋势要求系统的高可靠性，正是这些趋势是促使焊接双极模块发展的背后动力。现在这些模块有了一个全新的设计结构，焊层更少，采用了角型栅极可控硅以及升级了的弹簧压接技术，从而提高可靠性并降低了热电阻。结果是输出电流增大了10%以上。

鉴于工业应用中对功率模块日益增加的功率密度、可靠性和成本效益的要求，功率半导体制造商正不断努力开发新模块，这些新模块在拥有高度可靠性的同时成本也低。

技术

新模块中，DBC衬底和栅极辅助阴极端子之间的电气连接由弹簧压力触点提供。机械设计方面更深入的改变是减少了焊层。由于热阻减小了，使得输出电流大，并增强了可靠性。

虽然新一代模块拥有众多的改进，新SEMIPACK模块的外封装尺寸还和当前模块的尺寸一样。赛米控公司作为SEMIPACK 1的发明者，坚持采用同样的模块尺寸，这意味着，散热器的大小以及辅助端子的高度和位置都保持不变。对于客户来说，这意味着无需改变设计，例如到直流环节的连接或散热器的钻孔。

在没有影响机械设计或对电气性能有任何妥协的前提下，新版模块的层数更少：新设计的DBC衬底上不再有钼层和铜层；芯片是直接焊到DBC上的。

图1. 新一代的SEMIPACK的层数更少。第六代和第五代的设计图对比。

减少热阻

在功率循环（10000次负载循环，∆T_j = 100 K）中，焊层是至关重要的。故障机理是焊料疲劳会导致热阻增加和模块过早发生故障。表征封装设备热性能的一个通常方法是通过半导体器件的“热阻”；热阻表示在某一给定参考值之上，对于芯片表面所耗散的每瓦功率，芯片结的稳态温升。新一代模块中，热阻减小了，并且可靠性也提高了。与当前一代的模块相比，新一代模块的热阻要低得多。

图2. 主要模块材料的热膨胀系数（CTE）。与前一代相比，第六代SEMIPACK的设计使热阻减少了33%。

减少热应力

功率半导体模块的特点是它们具有单独的电流和散热路径。不同的材料——绝缘体、导体，当然还有半导体——都必须连接在一起。由于热膨胀系数（CTE）存在差异，在温度和功率循环中，相互连接的材料之间会产生机械应力。该应力与材料CTE的差异，刚性连接的长度以及超温∆T成正比。因此，功率模块必须被设计成能满足给定应用的热应力要求。为了符合这一要求，新模块采用了新的焊接材料，以便在DBC和半导体的CTE差异中进行折衷。

图3. 新模块：具有弹簧压接的内部设计结构。

正如上文所述，在被动的热循环期间，焊层是至关重要的。基于这个原因，新一代模块中，DBC、衬底和栅极/辅助阴极端子间是通过弹簧进行压接。这种类型的连接易于安装，无需额外的焊接，并且可用于各种电流范围。弹簧针触点已被证明具有良好的长期可靠性，非常适合用于电力电子应用中。

更好的电气性能

新的机械设计也改善了电气性能。事实上，显著降低的热阻允许更高的输出电流。得益于角形栅极可控硅的使用，新的芯片具有更大的有效表面积，可以流过更多的电流。由于这些变化，在与当前模块具有同样有效芯片面积的情况下，流过芯片的输出电流大约多了10%以上。

衡量可控硅模块可靠性的另一个重要参数是浪涌电流。该值显示了二极管/可控硅的稳健性，指的是故障条件下二极管/可控硅能够经受的住而无损伤的单一正弦半波通态电流脉冲，该脉冲持续10或8.3ms（50或60 Hz），这种情况在二极管/可控硅的使用寿命期间应该发生的很少。

认证

所有赛米控的模块都要经历质量审批测试程序。测试的目的是在各种不同的测试条件下确定设计的极限，以评价生产过程的一致性，并对提出的工艺和设计的改变对可靠性的影响进行评估。为此，定义了标准测试和条件。测试本身主要集中于芯片和封装。

所有产品都经权威批准认可，如UL（Underwriters Laboratories，保险商实验室）。

应用领域

SEMIPACK产品可被用作为整流直流电源、交流电机控制和驱动的软起动器，或者用在电池充电器及焊接设备中。

结论

多亏了第六代SEMIPACK中新的层概念，模块更加可靠。不用说，更低的热阻，改善了的电气性能，如增强的输出电流和浪涌电流，使得新模块更强大。

相关阅读:

没有相关新闻...