【導讀】今天，功率半導體為很多應用提供高功率密度的解決方案。如何將功率器件的發熱充分散出去是解決高功率密度設計的關鍵。通過使用IGBT焊接在雙面覆銅陶瓷板(DCB)上可以幫助減少散熱系統的熱阻，前提是需要IGBT單管封裝支持SMD工藝。本文將展示一種可回流焊接的TO-247PLUS單管封裝，該封裝可將器件芯片到DCB基板的熱阻降至最低。
01 引言
商業、建筑和農業車輛(CAV)應用競爭激烈不斷發展，要求不斷提高功率密度并降低成本。使用單管方案可以有效的降低產品成本，同時也要求單管IGBT要承受重載周期中產生的熱量。為了支持這樣的要求，功率半導體應具有較低的損耗，并在標準封裝中使用盡可能大的芯片，系統熱阻要最低。一個可能的解決方案是將單管安裝在水冷散熱器上。為了滿足絕緣要求，器件被安裝或焊接到DCB上。DCB本身也被固定在水冷散熱器上。為了滿足較低的系統損耗和可靠的運行，本文所描述的器件采用了EDT2 IGBT芯片，具有750V的阻斷電壓，可用于500V的電池系統。更高的阻斷電壓為雜散電感產生的關斷應力提供了更多的設計裕量。為了滿足CAV的高電流要求，該器件采用了能裝入 TO-247PLUS封裝的最大的芯片。再加上短路穩健性和出色的輕載功率損耗，EDT2技術是CAV應用的完美選擇。
02 TO-247PLUS單管封裝的回流焊接
TO-247PLUS是一種可以容納高功率密度解決方案所需的大型芯片的理想封裝[1]。為了最大限度地提高其熱性能，需要將芯片到冷卻系統的熱阻降至最低。一種解決方案是將封裝的背面通過DCB焊接到水冷散熱器上。作為一個標準的通孔器件(THD)，一般使用的是波峰焊工藝。為了承受回流焊工藝，需要對標準TO247封裝進行改進。使用共聚焦掃描聲學顯微鏡(CSAM)對標準的TO-247和改進的TO-247PLUS封裝進行評估。滿足濕度敏感水平(MSL) 3存儲條件下的產品，在峰值溫度245°C及該溫度以下進行回流焊接，可以持續30秒。TO-247PLUS 封裝的改進版是根據標準JEDECJ-STD-020E設計和認證的。圖1展示了標準TO-247封裝的結果。
Fig.1 標準TO-247封裝的CSAM
在引腳頂部以及芯片表面可以觀察到明顯的分層。眾所周知，這種分層會在產品的使用壽命內對導線產生負面影響。此外,芯片墊片上的分層,延伸到封裝表面,可能會形成一條通往封裝外部的路徑，使芯片暴露在惡劣的環境條件下，如濕度。標準的TO-247封裝不建議用于回流焊焊接。
圖2展示了TO-247PLUS封裝的改進版在1000次溫度循環后的測試結果。芯片頂部、芯片墊片、引腳頂部或芯片焊接層沒有分層。因此,這種封裝是回流焊接的理想選擇。
圖2 滿足MSL1存儲條件的TO-247PLUS單管經過1000次溫度循環后的C-SAM
還進行了進一步的測試,以確定TO-247PLUS封裝適用于表面貼裝器件的極限。滿足MSL1存儲條件的產品，在峰值溫度245°C及該溫度以下回流焊并持續30s，該封裝經歷了多達2000次溫度循環。圖3和圖4顯示了CSAM的測試結果。沒有發現嚴重的分層或電氣故障。這進一步驗證了TO-247PLUS SMD封裝改進版的有效性。
圖3 滿足MSL1存儲條件并在2000次溫度循環后的TO-247PLUS SMD芯片頂面的C-SAM
圖4 滿足MSL1存儲條件并在2000次溫度循環后的TO-247PLUS SMD管腳頂部的C-SAM
01 熱性能測試
針對電機驅動器的大電流測試，將該器件安裝DCB 上，在該應用相關的條件下進行測試用來評估TO-247PLUS SMD封裝的在該應用條件下的熱性能。
3.1 測試設置和條件
這些評估中使用的測試樣品是750V/200A的EDT2 IGBT芯片和200A的EmCon3二極管芯片封在TO-247PLUS SMD封裝中，設計用于主驅系統，特別是CAV應用。EDT2 IGBT針對汽車應用，使用了微溝槽柵設計，針對10kHz范圍內的開關頻率進行了優化，降低了導通和開關損耗。圖10是DUT組裝DCB并安裝在底板上的圖形說明。
圖10 測試組件。12個單管IGBT通過DCB安裝在水冷散熱器上
兩個單管并聯，使用B6拓撲，總共有12個測試樣品。所有的DUT都被回流焊接在DCB上，并安裝在水冷散熱器基板上。負載是一個永磁電機。熱電偶被用來監測IGBT溫度、散熱器基板和進水/出水口。該逆變器的母線電壓為310V，水溫被設定為 27°C。
3.2 測試結果
熱測試涉及最壞條件下的應用情況。在低開關頻率下，變頻器各相上的IGBT都會在較長的時間內導通高峰值電流。如果冷卻設計不合適，IGBT/二極管將被加熱,可能達到超過芯片的溫度。
堵轉工況是電機驅動的極端工況，考驗著系統的散熱能力和極限性能。下面是堵轉測試的結果。
表1 10kHz開關頻率下的堵轉測試數據
表2 4kHz開關頻率下的堵轉數據
03 結論
TO-247PLUS SMD是對CAV這些需要高功率密度和可靠的功率半導體的應用來講是理想的單管封裝。該封裝能夠在DCB上進行回流焊接，不會產生分層。這最大限度地減少了從器件芯片到DCB的熱阻。應用測試驗證了EDT2 IGBT與EmCon3二極管共同封裝在TO-247PLUS SMD中，滿足了CAV應用的要求。與系統短路測試相當的堵轉測試，器件可在最大允許的工作結溫內運行。
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