Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №8

От «корпусных» к «бескорпусным». Тенденции рынка силовых полупроводниковых модулей

Штокмайер Томас


Перевод: Колпаков Андрей


Мощные интегральные полупроводниковые силовые модули играют ключевую роль в силовых электронных системах. Их неоспоримое преимущество — возможность объединения силовых кристаллов, датчиков, а также схемы управления и защиты в одном корпусе, имеющем электрически изолированный теплосток, — позволяет создавать широкий диапазон компонентов, отличающихся мощностью, размером и функциональным назначением. В статье дается обзор современных технологий силовых модулей, их конструктивов и способов соединения. Особенно подчеркиваются современные тенденции при разработке новых поколений элементов. На быстро растущем рынке гибридных и электрических транспортных средств все большую популярность приобретают «бескорпусные» силовые модули, обеспечивающие несоизмеримо большую степень интеграции. Использование таких компонентов позволяет создавать компактные подсистемы, отличающиеся очень высокой плотностью мощности и способные работать при жестких климатических и механических воздействиях.

Введение

Термин «силовой полупроводниковый модуль» можно определить так: это устройство, содержащее несколько полупроводниковых чипов, соединенных в определенной конфигурации, и обеспечивающее раздельное протекание электрической и тепловой энергии. Первый силовой модуль был разработан компанией SEMIKRON в середине семидесятых годов прошлого столетия. Он имел пластиковый корпус и содержал два кристалла (диод и/или тиристор), подключенных методом пайки к электрическим контактам на металлизированной керамической подложке.

Фотография первого силового изолированного полупроводникового модуля показана на рис. 1[1]. Использование подобных элементов обеспечивало пользователям такие очевидные преимущества, как электрическая изоляция, возможность монтажа нескольких модулей на одном радиаторе и соединения их с помощью силовых шин. Дискретные транзисторы, применявшиеся до этого, нуждались в индивидуальной изоляции или использовании раздельных теплостоков. Теперь силовая электронная система стала гораздо более компактной, надежной и экономически эффективной. В свою очередь требования снижения цены, габаритов, веса и повышения надежности стали основными на рынке силовой электроники в течение всех последних лет.

Рис. 1. а) Фотография (1600 В, 90 А) модуля с двумя антипараллельными тиристорами (1975 г.); б) поперечное сечение модуля, где видны материалы и элементы конструкции
Рис. 1. а) Фотография (1600 В, 90 А) модуля с двумя антипараллельными тиристорами (1975 г.); б) поперечное сечение модуля, где видны материалы и элементы конструкции

Рынок силовых модулей

На 2007 год[2] объем мирового рынка силовых модулей составлял $2100 млн при очень высоком темпе прироста. Достаточно показателен тот факт, что, несмотря на стремительный общий технический и экономический прогресс, модуль, показанный на рис. 1, до сих пор выпускается практически в оригинальном виде с тем же функциональным назначением, и темпы его производства продолжают расти.

Рынок силовых модулей может быть разделен по функциональному назначению: биполярные — $270 млн (включая диоды и тиристоры), IGBT — $900 млн, интегральные (выпрямитель + инвертор) — $200 млн, интеллектуальные IPM (силовой каскад со схемой управления и датчиками) — $780 млн.

С точки зрения сферы применения более половины рынка (56%) силовой электроники формируют моторные приводы. Компании, производящие индустриальные приводы, в первую очередь заинтересованы в получении линейки продуктов, перекрывающих широкий диапазон мощностей. Важно также, чтобы эта продукция базировалась на одной конструктивной платформе, что в свою очередь упрощает выпуск унифицированных преобразователей. На рис. 2 показан пример такой платформы для производства моторных приводов — семейство модулей SEMiX[3].

Рис. 2. Семейство модулей IGBT и выпрямителей SEMiX в стандартных конструктивах с высотой терминалов 17 мм для преобразователей мощностью 15-150 кВт
Рис. 2. Семейство модулей IGBT и выпрямителей SEMiX в стандартных конструктивах с высотой терминалов 17 мм для преобразователей мощностью 15–150 кВт

Семейство SEMiX содержит линейку выпрямительных мостов и модулей IGBT в стандартных конструктивах с высотой терминалов 17 мм, предназначенных для производства инверторов мощностью 15–150 кВт.

Следующим большим сектором рынка является электротранспорт (10%). Ключевыми требованиями к компонентам для данного применения являются высокая надежность и долговременная доступность компонентов от нескольких поставщиков. На рис. 3 показан типичный пример транспортного силового модуля[4].

Рис. 3. IGBT-модуль - 1200 A, 3300 В. Фото ABB Semiconductors
Рис. 3. IGBT–модуль — 1200 A, 3300 В. Фото ABB Semiconductors

Рынок силовой электроники для бытовых применений составляет примерно 9%. В этом секторе наибольшей популярностью пользуются слаботочные IPM. В области малых мощностей интеллектуальные силовые модули предлагаются в корпусах SIL и DIL, примеры конструктивов показаны на рис. 4[5, 6].

Рис. 4. Интегральные интеллектуальные силовые модули в SIL- и DIL-корпусах (фото Fairchild Semiconductors, International Rectifier, Mitsubishi Electric)
Рис. 4. Интегральные интеллектуальные силовые модули в SIL– и DIL–корпусах (фото Fairchild Semiconductors, International Rectifier, Mitsubishi Electric)

Следует отметить еще два важных сектора рынка, к которым относятся возобновляемые источники энергии и автоэлектроника. Объем первого сегмента невелик — всего 5%, однако высокий темп роста (25%) делает его одним из наиболее динамично развивающихся. К 2011 году рынок ветроэнергетики может достичь объема $250 млн. Требования, предъявляемые к компонентам, предназначенным для данного применения, близки к транспортным: большое время необслуживаемой работы, высокая надежность, устойчивость к жестким воздействиям окружающей среды. На рис. 5 показан интеллектуальный силовой модуль SKiiP, широко используемый в ветроэнергетике[7], имеющий в составе силовой каскад, устройство управления, датчики тока, температуры, напряжения и радиатор.

Рис. 5. а) Интеллектуальный полумостовой модуль SKiiP (1800 A, 1200 В) с радиатором; б) интегрированный драйвер SKiiP; в) конструкция полумостового силового каскада с интегрированным датчиком тока
Рис. 5. а) Интеллектуальный полумостовой модуль SKiiP (1800 A, 1200 В) с радиатором; б) интегрированный драйвер SKiiP; в) конструкция полумостового силового каскада с интегрированным датчиком тока

Небольшой пока рынок силовой автоэлектроники (4%) тоже растет очень быстро, примерно на 19% в год. Требования, предъявляемые к силовым компонентам данного сектора, также очень жесткие и специфичные. Следует отметить такие особенности специализированных автомобильных модулей, как расширенный температурный диапазон и высокая стойкость к термоциклированию. На рис. 6 показано два примера специализированных силовых ключей для использования в электроприводах гибридо– и электромобилей[8, 9].

Рис. 6. SKiM63 (300 A, 1200 В) и HybridPack1 (400 A, 600 В) - типичные силовые модули для построения 3-фазного инвертора IGBT автомобильного электропривода (фото HybridPack принадлежит Infineon Technologies)
Рис. 6. SKiM63 (300 A, 1200 В) и HybridPack1 (400 A, 600 В) — типичные силовые модули для построения 3–фазного инвертора IGBT автомобильного электропривода (фото HybridPack принадлежит Infineon Technologies)

Технологии производства силовых модулей

Электрические промежуточные соединения

Силовые модули несут основную часть токовой нагрузки, поэтому для подключения электрических соединителей, осуществляющих их связь с «внешним миром», используются различные технологии. В наименее мощных применениях (до 100 Вт) компоненты могут припаиваться непосредственно к управляющей печатной плате. Подобно маленьким IPM для бытовой электроники (рис. 4) такие модули, как правило, устанавливаются вместе с другими компонентами (со сквозными выводами и smd), такими как фильтры, конденсаторы DC–шины и коннекторы. Отсюда вытекает требование их хорошей пригодности к пайке и способности выдерживать процессы пайки оплавлением или волной.

С ростом плотности тока мощные модули становятся больше и тяжелее, такие конструкции устанавливаются отдельно от платы управления. Как правило, для их подключения применяются паяльные роботы, осуществляющие подключение выводов к плате. После этого вся сборка должна быть установлена на теплосток. Для этого используются специальные профили радиаторов и элементы крепления, прижимающие теплоотводящую поверхность к радиатору[10]. Чтобы упростить процесс установки и замены, широко применяются различные пружинные контакты[11], например, как показано на рис. 7. Силовой модуль MiniSKiiP, все терминалы которого выполнены в виде пружин, зажимается между теплоотводом и печатной платой драйвера одним или двумя винтами, за счет чего осуществляется электрический и тепловой контакт. Подобная конструкция обеспечивает очень простой и быстрый процесс установки и замены.

Рис. 7. Сборка модуля MiniSKiiP с пружинными контактами
Рис. 7. Сборка модуля MiniSKiiP с пружинными контактами

На рис. 7 показан разрез сборки MiniSKiiP, на котором видно положение пружинных контактов.

Если ток превышает значение 100–150 А, прямой контакт силовых модулей с PCB–платой представляет серьезную проблему. Стандартным решением в этом случае является резьбовое соединение мощных терминалов с шинами или кабелями.

По сравнению со старыми конструктивами, где силовые выводы располагались на верхней поверхности модуля (рис. 1, 3), у современных силовых модулей (рис. 2, 5, 6) AC– и DC–терминалы расположены по разным сторонам на краях корпуса, что позволяет разделить силовые цепи постоянного и переменного тока и освободить место для размещения драйвера на верхней части корпуса. Силовые модули устанавливаются на теплоотвод посредством болтового соединения, а плата драйвера подключается с помощью пайки или прижимного контакта. С помощью подобных конструкций можно разрабатывать преобразователи, отличающиеся высокой компактностью.

Для подключения модулей, работающих при очень высоких токах, применяется соединение типа Press–Pack. Подобные силовые ключи не имеют электрической изоляции, для соединения с внешней схемой используются их верхняя и нижняя поверхности, которые одновременно являются силовыми терминалами. На рис. 8 показан Press–Pack IGBT–модуль, используемый в системах высоковольтной передачи постоянного напряжения[13]. Серия тиристорных модулей SEMiSTART, представленных на рис. 9, предназначена для применения в мощных софт–стартерах[14]. В их конструкцию заложен такой же принцип — чипы тиристоров зажаты между верхней и нижней частями радиатора, служащими для подключения силовых шин.

Рис. 9. SEMiSTART - семейство неизолированных тиристорных модулей для устройств плавного пуска
Рис. 9. SEMiSTART — семейство неизолированных тиристорных модулей для устройств плавного пуска
Рис. 8. Модуль IGBT Press-Pack 1200 A, 2500 В (236x150x26 мм)
Рис. 8. Модуль IGBT Press–Pack 1200 A, 2500 В (236×150×26 мм)

Каждый чип IGBT и диода присоединяется индивидуально с помощью пружин.

Обеспечение отвода тепла

Кристаллы IGBT и диодов, коммутирующие токи внутри силового модуля, являются источниками тепла, пропорционального рассеиваемой мощности. Следовательно, для надежной работы ключей необходимо обеспечить отвод этого тепла на радиатор. На рис. 10 показаны конструкции двух типов силовых модулей, отличающиеся способом охлаждения. В обоих случаях силовые чипы припаяны на керамическую DBC–плату с двусторонней металлизацией, обеспечивающую отвод тепла и электрическую изоляцию. Наиболее часто используемыми материалами для производства DBC–плат являются оксид алюминия Al2O3 и нитрид алюминия AlN. Медная металлизация (толщина 300 мкм) выполняется с помощью пайки эвтектическим сплавом (DBC–процесс — Direct Bonded Copper) или за счет покрытия твердым припоем (AMB–процесс).

Рис. 10. Конструкция модуля с базовой платой и без нее
Рис. 10. Конструкция модуля с базовой платой и без нее

Типовое значение теплопроводности керамических подложек находится в диапазоне от 20 Вт/м⋅К для алюминиевых DBC до 170 Вт/м⋅К для AMB–AlN плат. У стандартных модулей с базовой платой подложка с чипами припаивается к базовой плате (толщиной 3–5 мм), которая в свою очередь делается из меди или матричных композитных материалов, таких как AlSiC. Перед установкой модуля на радиатор зазор между базой и DBC–платой должен быть заполнен теплопроводящей пастой, вытесняющей пузырьки воздуха и обеспечивающей тепловой контакт. Для решения этой задачи существует масса материалов и технологий, ни одну из которых до сих пор нельзя считать оптимальной. Наиболее распространены теплопроводящие пасты, содержащие частицы ZnO в силиконовом или несиликоновом масле. Теплопроводность этих материалов невысока (1 Вт/м⋅К), поэтому толщина слоя должна быть как можно меньше, в противном случае данный слой создаст барьер, препятствующий отводу тепла от чипов. Оптимальной толщиной слоя пасты для стандартных модулей с базовой платой считается 100 мкм.

В модулях без базовой платы, или «безбазовых» (baseless), керамическая подложка устанавливается непосредственно на теплосток, а теплопроводящий наполнитель располагается в зазоре между ними. В этом случае толщина слоя может быть существенно меньше (около 20 мкм), поскольку в «безбазовых» модулях отсутствует биметаллический эффект, приводящий к изгибу медного основания при нагреве и охлаждении. Отсутствие базовой платы обеспечивает ряд важных преимуществ модулей подобной конструкции. Во–первых, медное основание существенно увеличивает стоимость и массо–габаритные показатели конструкции. И, что еще более важно, «безбазовые» силовые ключи обладают несоизмеримо более высокой стойкостью к термоциклированию благодаря исключению паяного слоя большой площади, необходимого для соединения подложки с базой. Следует отметить, что теплоемкость такой конструкции несколько меньше, что ухудшает распределение тепла в основании модуля и несколько увеличивает тепловой импеданс. Данный недостаток компенсируется за счет более тонкого слоя пасты. Подложка «безбазового» модуля SKiiP 3 с установленными чипами IGBT и диодов показана на рис. 11.

Рис. 11. Подложка модуля SKiiP (3600 A, 1200 В) размером 140x53 мм с установленными чипами IGBT и диодов
Рис. 11. Подложка модуля SKiiP (3600 A, 1200 В) размером 140×53 мм с установленными чипами IGBT и диодов

Одним из ключевых параметров силовых модулей является их стойкость к пассивному и активному термоциклированию [15, 16]. В течение дневного цикла работы температура корпуса мощного модуля может меняться в пределах от –40 °C (холодный старт) до +90 °C (режим перегрузки). В результате этого паяные слои, соединяющие кристаллы с керамической подложкой и подложку с базовой платой, подвергаются постоянному термомеханическому стрессу, вызванному разницей КТР кремния, керамики, меди. Если допустить, что силовой ключ подвергается воздействию одного цикла в день в течение 20 лет его срока службы, то даже в этом случае общее количество термоциклов составляет около 7000.

Однако температура чипов меняется гораздо чаще — это происходит при колебаниях тока нагрузки, при пуске и остановке привода и т. д. Таким образом, количество термоциклов многократно умножается, что приводит к ускоренному старению паяных слоев. Параметры циклов непосредственно зависят от условий эксплуатации, нормирование режимов циклограммы в реальных применениях является достаточно сложной задачей. В зависимости от условий работы силовые чипы могут испытывать за время срока службы до нескольких миллионов термоциклов с градиентом от +25 до +125 °C в случае, если нагрев и охлаждение происходят в течение нескольких секунд. Модуль должен быть рассчитан на безотказную работу в течение нескольких тысяч циклов, если периодичность изменения температуры составляет единицы минут[17]. На рис. 12 показано, как при постоянной диаграмме нагрузки интенсивность отказов изменяется во времени по мере старения и потери прочности конструкции.

Рис. 12. Надежность как функция времени (график принадлежит Vestas A/S)
Рис. 12. Надежность как функция времени (график принадлежит Vestas A/S)

Технологии сборки силовых модулей

Ключевыми технологиями, используемыми при производстве современных силовых модулей, являются пайка, ультразвуковая сварка и заливка силиконовым гелем. Процесс пайки должен обеспечивать формирование равномерных соединительных слоев большой площади без дефектов (лакун), кроме того, при этом должно быть исключено применение свинца и других опасных металлов и сплавов.

Как правило, пайка используется для установки чипов и подключения силовых терминалов к керамической подложке, а также для ее соединения с базовой платой. Наиболее часто применяется вакуумная пайка оплавлением, когда предварительно наносится слой паяльной пасты, содержащей водорастворимый флюс, в ряде случаев паяльная кислота добавляется во время пайки.

Также достаточно распространена пайка в вакуумной или конвейерной печи, для удаления окислов при этом применяется водородосодержащая среда. Материал припоя, толщина слоя и его равномерность, а также режимы технологического процесса — все эти показатели играют очень важную роль, и от них во многом зависят тепловые характеристики конструкции модуля и его стойкость к термоциклированию.

Ультразвуковая сварка с применением термокомпрессии является основным способом подключения толстых алюминиевых проводников (диаметром 300–500 мкм) к контактным площадкам на поверхности чипов и к шинам DBC–платы, а также соединения выводов подложки с выходными терминалами. В настоящее время автоматизированный процесс ультразвуковой сварки считается наиболее отработанным, дешевым и надежным.

Усталостные процессы, возникающие в сварном слое, являются основным фактором, ограничивающим срок службы при циклическом изменении температуры, вызывающем напряжения в соединении кремния и алюминия из–за различия КТР.

На заключительном этапе изготовления силового модуля производится заливка внутреннего пространства пластикового корпуса силиконовым гелем. Применение геля обеспечивает герметизацию, электрическую изоляцию и способствует улучшению распределения тепла. Кроме того, при этом улучшаются механические характеристики конструкции и обеспечивается защита от воздействия пыли и влаги[18]. Для удаления воздушных пузырьков данный технологический процесс производится в вакууме.

Тенденции развития технологий силовой электроники

Керамические подложки

Одной из основных тенденций совершенствования технологий керамических подложек является уменьшение толщины DBC–плат и увеличение толщины слоя омеднения, что необходимо для улучшения теплопередачи при повышенных токовых нагрузках. Толщина подложек из окиси алюминия за последнее время уже уменьшилась с 0,63 до 0,38 мм, добавление циркониевых присадок позволяет довести это значение до 0,32 мм[19]. Альтернативным материалом является нитрид кремния, который при той же толщине (0,32 мм) имеет лучшую теплопроводность (70 Вт/м⋅К) и более высокую механическую прочность, чем окись алюминия[20]. Таким образом, вполне реальным является увеличение толщины медного покрытия с 0,3 до 0,6 мм, что обеспечит лучшее распределение тепла, более высокую теплоемкость и меньшие омические потери металлического слоя.

Новые технологии промежуточных соединений

Новые возможности по повышению плотности тока предоставляет замена алюминиевых проводников на медные полосковые выводы, подключаемые с помощью сварки к DBC–плате. Такое соединение допускает гораздо более высокую токовую нагрузку и имеет лучшую стойкость к термоциклированию. На рис. 13 показана замена алюминиевых проводников полосковыми выводами[21] сечением 0,2×1,2 мм.

Рис. 13. Сравнение соединений с помощью Al (300 мкм) проводников и ленточных проводников (0,2x1,2 мм) для подключения тиристорного чипа площадью 24x24 мм
Рис. 13. Сравнение соединений с помощью Al (300 мкм) проводников и ленточных проводников (0,2×1,2 мм) для подключения тиристорного чипа площадью 24×24 мм

Исключение паяных соединений при производстве модулей

Как уже было сказано, усталость паяных соединений является основным фактором, ограничивающим ресурс силовых модулей. Таким образом, полное исключение пайки при их производстве может позволить существенно повысить стойкость к термоциклированию. На рис. 14 показан первый силовой модуль IGBT, в конструкции которого нет ни одного паяного слоя[8]. Соединение чипов и датчиков температуры с DBC–подложкой осуществлено с помощью новейшей технологии низкотемпературного спекания, силовые терминалы имеют прижимной контакт с медными шинами подложки, сигнальные выводы выполнены в виде пружин. Новые модули серии SKiM не имеют базовой платы, их основанием является керамическая подложка, которая и устанавливается непосредственно на радиатор.

Рис. 14. Новый 3-фазный модуль IGBT SKiM 63 (300 A, 1200 В), производимый без применения пайки
Рис. 14. Новый 3–фазный модуль IGBT SKiM 63 (300 A, 1200 В), производимый без применения пайки

При использовании технологии спекания чипы предварительно устанавливаются на слой пасты, состоящей из микрочастиц серебра и наносимой методом трафаретной печати. Далее под действием высокого давления (30 МПа) при повышенной до 250 °C температуре серебряная паста трансформируется в соединительный серебряный слой, температура плавления которого составляет уже 961 °C. Такое соединение обладает уникальными механическими характеристиками и высокой теплопроводностью. На рис. 15 показана фотография DBC–платы размером 5″×7″, на которой установлены четыре подложки, каждая из которых содержит 12 чипов IGBT и 6 диодов, установленных за один технологический цикл спекания. Для демонстрации высокой надежности соединения и отличной адгезии чипа к подложке она была свернута в трубочку, при этом не был поврежден ни один соединительный слой кристалла.

Рис. 15. DBC-плата размером 5''x7'';, содержащая четыре подложки со спеченными чипами, одна из которых скручена для демонстрации качества адгезии кристаллов
Рис. 15. DBC–плата размером 5″×7″, содержащая четыре подложки со спеченными чипами, одна из которых скручена для демонстрации качества адгезии кристаллов

На рис. 16 продемонстрированы в сравнении технологии пайки и спекания при испытаниях на термоциклирование стандартных модулей с базовой платой. Графики показывают существенную разницу как в надежности, так и в причинах, вызвавших отказ. Температура кристаллов паяных модулей начинает увеличиваться после нескольких тысяч циклов, что является наглядным свидетельством начала процесса разрушения соединительного слоя, который быстро прогрессирует, так как сокращается площадь теплового контакта. Резкий рост температуры кристаллов, происходящий при постоянном токе нагрузки, ускоряет процесс отслоения и, кроме того, создает дополнительное напряжение в районе подключения выводов чипов. Когда перегрев в этой зоне достигает 250 °C, разрушается металлизация и выводы отрываются от контактных площадок.

Рис. 16. Изменение теплового сопротивления и напряжения насыщения V_CE(sat) в процессе испытаний на термоциклирование для модулей IGBT паяного и спеченного типа
Рис. 16. Изменение теплового сопротивления и напряжения насыщения VCE(sat) в процессе испытаний на термоциклирование для модулей IGBT паяного и спеченного типа

Силовые модули со спеченными связями ведут себя совершенно иначе. Температура кристаллов (и, следовательно, тепловое сопротивление) остается на уровне 150 °C и не меняется в процессе испытаний. Количество циклов, приводящее к отказу модулей подобной конструкции, примерно в три раза больше, чем у стандартных компонентов.

На рис. 17 показаны фотографии открытых модулей с паяными и спеченными соединениями кристаллов. В отказавшем модуле первого типа наблюдается отслоение выводов чипов. В компонентах со спеченными кристаллами (справа) металлизация чипов не нарушена, вместо этого виден разрыв самих проводников, вызванный механическим напряжением, создаваемым разностью КТР алюминия и кремния. Следовательно, дальнейшим путем повышения стойкости к термоциклированию модулей со спеченными связями чипов является изменение формы проводников и модификация сварочного оборудования.

Рис. 17. Характер повреждения модулей после испытаний на термоциклирование: а) при паяном соединении чипов происходит отслоение проводников от места сварки с металлизацией чипа; б) при спеченном соединении чипов наблюдается разрыв проводников при сохранении сварного соединения
Рис. 17. Характер повреждения модулей после испытаний на термоциклирование: а) при паяном соединении чипов происходит отслоение проводников от места сварки с металлизацией чипа; б) при спеченном соединении чипов наблюдается разрыв проводников при сохранении сварного соединения

Заливка силиконовым гелем

Как было отмечено выше, заливка модулей силиконовым гелем используется для улучшения электрической изоляции и защиты от климатических воздействий. Процесс заливки отнимает достаточно много времени, кроме того, при существующей технологии заполнения требуется большое количество дорогостоящего геля. Чтобы сократить его расход и время технологической операции, было предложено заменить заливку внутреннего объема модуля на тонкое покрытие чипов и токонесущих цепей. Разница в технологиях поясняется на рис. 18.

Рис. 18. а) Схематическое поперечное сечение модуля при сплошной заливке гелем (gell fill) и покрытии тонким слоем (coating); б) фотография чипа с тонким слоем геля
Рис. 18. а) Схематическое поперечное сечение модуля при сплошной заливке гелем (gell fill) и покрытии тонким слоем (coating); б) фотография чипа с тонким слоем геля

При использовании нового, полностью автоматизированного процесса некоторое количество геля впрыскивается внутрь модуля через специальный клапан для защиты краев подложки. Далее вся DBC–плата покрывается тонким слоем геля через распылительную головку. В процессе структурирования происходит распространение материала по поверхности проводников под действием силы тяжести. На конечном этапе производится полимеризация геля с помощью ультрафиолетового облучения, после чего подложка помещается в корпус модуля.

Компоненты на основе карбида кремния (SiC)

Элементы на основе новой технологии карбида кремния, такие как диоды Шоттки и MOSFET–транзисторы с рабочим напряжением от 600 до 1700 В, получают все большее распространение[22]. Чтобы использовать преимущества компонентов SiC, силовой модуль должен иметь низкое значение паразитной индуктивности шин и расширенный температурный диапазон. На рис. 11 приведен пример подобного модуля усовершенствованного типа: 14 чипов IGBT и 6 чипов SiC–диодов Шоттки соединены в параллель для образования одного силового ключа (на подложке располагается полумостовой каскад). Для формирования 3–фазного инвертора необходимо три подобные платы (36 SiC–чипов на инвертор). При использовании диодов из карбида кремния вместо обычных кремниевых ток модуля может быть увеличен примерно на 30%. Однако при этом существенно возрастает и уровень осцилляций.

Интеллектуальные силовые модули (IPM)

Разработка интегральных драйверов на базе технологии SOI[23], способных работать без защелкивания вплоть до температуры 200 °C, открыла возможность установки однокристальной схемы управления непосредственно на DBC–подложку. На рис. 19 представлена DBC–плата полностью интегрального интеллектуального модуля в конфигурации CIB (выпрямитель — инвертор — тормозной каскад). Бескорпусный чип интегральной микросхемы драйвера припаян к подложке и подключен к электрической схеме с помощью тонких (35 мкм) алюминиевых проводников, соединяемых с помощью термокомпрессионной сварки. Микросхема защищена от внешних воздействий с помощью специального силиконового покрытия. Драйвер выполняет все необходимые функции управления и защиты, а также осуществляет высоковольтный сдвиг уровня сигналов. Для работы устройства необходимы только внешние бустрепные конденсаторы.

Рис. 19. DBC-подложка модуля IPM MiniSKiiP (600 В, 50 A) с интегрированным SOI-драйвером
Рис. 19. DBC–подложка модуля IPM MiniSKiiP (600 В, 50 A) с интегрированным SOI–драйвером

Технология SKiN

На рис. 20, 21 показано поперечное сечение нового IPM, созданного с применением технологии SKiN. Основной особенностью новой технологии является непосредственное подключение силовых чипов к подложке без использования проводников. Выводы так называемого флип–чипа (или перевернутого чипа) привариваются к перфорированным выступам на гибкой SKiN–плате, состоящей из слоев алюминия, полиамида и меди.

Рис. 20. Поперечное сечение интегрального IPM на базе технологии SKiN
Рис. 20. Поперечное сечение интегрального IPM на базе технологии SKiN
Рис. 21. а) Силовые чипы на нижней стороне SKiN-платы; б) верхний слой SKiN-структуры с интегральной схемой драйвера и smd-пассивными компонентами
Рис. 21. а) Силовые чипы на нижней стороне SKiN–платы; б) верхний слой SKiN–структуры с интегральной схемой драйвера и smd–пассивными компонентами

Алюминиевый слой используется для прокладки силовых цепей и цепей управления затворами, на слое с медной металлизацией могут размещаться элементы схемы управления и датчики. Полиамидный слой является изолирующим, сквозные отверстия в нем необходимы для подключения выходов драйвера к входам управления IGBT.

После сварки чипов и установки всех элементов схемы на верхний слой платы подложка соответствующим образом изгибается и устанавливается в корпус из термостойкого пластика. Полученный в результате сверхминиатюрный IPM пригоден для поверхностного монтажа.

Силовые модули работы при высоких температурах окружающей среды

В настоящее время широко дискутируется вопрос, связанный с так называемой высокотемпературной электроникой [24, 25, 26]. Применяемые в настоящее время кремниевые IGBT и диоды пригодны для эксплуатации при температуре чипов, не превышающей 175 °C.

В ближайшее время ожидается, что рабочая температура MOSFET, а также IGBT и диодов с рабочим напряжением 600 В будет повышена до 200 °C. Современные выпрямительные диоды и тиристоры допускают нагрев кристаллов до 150 °C.

Рассматриваются две возможные концепции повышения температуры силовых ключей: первая предусматривает сохранение действующих сегодня норм на перегрев радиаторов (что важно для обеспечения безопасности персонала и предотвращения перегрева окружающей электроники) и предполагает увеличение стойкости кристаллов к большим перепадам температуры. Повышение градиента температуры на 25 °C эквивалентно увеличению мощности на 30%. Однако при этом стойкость к термоциклированию снижается по крайней мере в 3–5 раз в зависимости от конструкции модуля. Следовательно, новые технологии, такие как технология низкотемпературного спекания, должны быть внедрены до того, как температурный диапазон чипов будет расширен.

Вторая концепция предназначается для модулей, работающих в условиях повышенной температуры окружающей среды, например, в подкапотном пространстве автомобилей. При этом окружающий воздух может прогреваться до 130 °C, а температура охлаждающей жидкости достигает 105 °C и выше. В этом случае необходимо проанализировать термостойкость всех материалов, используемых при изготовлении модуля, например, для производства корпуса необходимо применять новые пластики, такие как РРА (Polymer Processing Additive), а силиконовый гель должен иметь более высокую температурную стабильность параметров.

Одним из способов преодоления ограничений, вносимых недостаточно высокотемпературными материалами, является отказ от их применения. Например, вместо использования стандартного «корпусного» модуля можно интегрировать в общую систему «бескорпусную» DBC–плату с установленными электронными компонентами.

«Бескорпусная» концепция

На рис. 22 показана конструкция готового 3–фазного привода электромотора (в данном случае 360 Arms, 48 В), разработанная без применения стандартных силовых модулей[27]. Объем данного устройства составляет всего 2,3 л, этот важный показатель характеризует возможность блока быть встроенным в схему управления электро– или гибридомобиля.

Рис. 22. Конструкция модуля привода электромобиля SKAI (48 В, 360 А)
Рис. 22. Конструкция модуля привода электромобиля SKAI (48 В, 360 А)

Основным элементом блока является DBCподложка с установленными на ней и соединенными в определенной конфигурации чипами MOSFET (паяными или спеченными), датчиками температуры и фильтрующими емкостями. Фотография такой подложки с семью кристаллами в верхнем и нижнем плече полумостового каскада, RC–фильтром и термодатчиком показана на рис. 23. Три DBC–платы смонтированы на теплоотводе, толщина слоя теплопроводящей пасты, нанесенной методом шелкографии, составляет 20 мкм.

Рис. 23. Подложка с установленными семью чипами MOSFET (100 A, 100 В), RC-фильтрами и датчиком температуры
Рис. 23. Подложка с установленными семью чипами MOSFET (100 A, 100 В), RC–фильтрами и датчиком температуры

На радиатор с силовым каскадом монтируется рамка из высокотемпературного пластика с запрессованными литыми терминалами, рассчитанными на винтовое подключение, после чего устанавливается звено постоянного тока с встроенными конденсаторами.

На верхнем уровне DC–шины размещается так называемая прижимная плата, соединяемая болтами с радиатором. Эта плата, в которой находятся сигнальные пружинные выводы для подключения драйвера, прижимает силовые терминалы к DBC–подложке, обеспечивая одновременно электрический и тепловой контакт. Прослойка из пористой силиконовой резины, находящаяся между прижимной пластиной и терминалами, обеспечивает равномерное распределение давления по всей площади блока.

На заключительном этапе сборки устанавливается печатная плата, содержащая драйвер затворов, схема обработки сигналов датчиков тока, напряжения и температуры и управляющий контроллер. Защита изделия от воздействия окружающей среды осуществляется с помощью герметичной крышки (в данном случае класс защиты IP54).

Таким образом, модуль привода DС– или АС–мотора может быть изготовлен за менее чем 10 производственных операций с применением минимального количества материалов и технологий. Это позволяет создавать полностью законченные электронные системы с высочайшим уровнем плотности мощности и отличными механическими характеристиками. Описанный выше модуль привода SKAI рассчитан на эксплуатацию при воздействии вибраций с ускорением до 20 g, ударов — до 100 g. Благодаря отсутствию паяных соединений он обладает высокой стойкостью к термоциклированию, предельная температура силовых чипов MOSFET составляет 200 °C. Компактный дизайн и интегрированное звено постоянного тока обеспечивают низкий уровень электромагнитных излучений.

Используя описанную выше технологию, можно создавать и высоковольтные системы. Например, модуль, построенный с применением данной концепции (рис. 24)[28], имеет плотность мощности 30 кВА/дм3 или 20 кВА/кг. Подобные системы идеально подходят для транспортных применений, поскольку такая конструкция может быть интегрирована практически в любой электро– или гибридомобиль. Высокая стойкость к механическим и климатическим воздействиям и простая технология промежуточных соединений позволяют создавать широкую гамму модулей с различными электрическими и механическими характеристиками в рамках одной платформы.

Рис. 24. 3-фазный модуль привода SKAI с интегрированной системой охлаждения (1200 В, 300 Arms). Размер модуля 400x215x100 мм, плотность мощности 30 кВA/дм^3
Рис. 24. 3–фазный модуль привода SKAI с интегрированной системой охлаждения (1200 В, 300 Arms). Размер модуля 400×215×100 мм, плотность мощности 30 кВA/дм3

Заключение

Силовые модули играют важную роль в технических и экономических аспектах современной силовой электроники. Сбережение энергии в индустриальных применениях, выработка и преобразование энергии возобновляемых источников — вот основные отрасли промышленности, где спрос на силовые модули растет в геометрической прогрессии.

Прогресс технологий производства кристаллов и постоянно растущие требования по снижению стоимости, повышению эффективности и надежности при сокращении массо–габаритных показателей являются основными факторами, движущими технический прогресс в области силовой электроники.

Путями решения проблем повышения надежности и стойкости к термоциклированию, а также расширения температурного диапазона являются замена паяных соединений на спекаемые, замена проводных соединений сварными контактами, а также повышение степени механической интеграции даже в области высоких мощностей. Применение принципиально новых концепций и технологий, таких как SKiN, позволяет воплотить в жизнь вышеуказанные тенденции и перейти к созданию новых классов силовых модулей.

Возможным путем реализации требований к «высокотемпературной» электронике является использование «бескорпусных» силовых модулей и их включение в состав систем высокого уровня интеграции, примером которых является описанный в статье модуль SKAI.

Литература

  1. Hempel H.–P. Leistungshalbleiterhandbuch. SEMIKRON International, Nuremberg, 1978.
  2. IMS Research. The Global Market for Power Semiconductors. Edition 2007 interim update, Figures 2006.
  3. Stockmeier T., Manz Y., Steger J. Novel High Power Semiconductor Module for Trench IGBTs. Proc. ISPSD, Kitakysuhu, 2004.
  4. Rahimo M., Kopta A., Schnell R., Schlapbach U., Zehringer R. 2.5kV–6.5kV Industry Standard IGBT Modules Setting a New Benchmark in SOA Capability. Proc. PCIM, Nuremberg, 2004.
  5. Motto E., Donlon J., Iwasaki M., Kuriaki K., Yoshida H. A 1200V Transfer Molded DIP–IPM. Proc. PCIM, Nuremberg, 1992.
  6. Frank W. A new Approach of Single–Inline High Power Density Molded Module for drives applications. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  7. Backhaus K. Intelligent power module family SKiiP Pack 3rd generation. Proc. PCIM, Nuremberg, 2000.
  8. Beckedahl P., Grasshoff T., Lederer M. A new power module concept for automotive applications. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  9. Graf I. Reliable IGBT Power Semiconductor Modules for Hybrid Electrical Vehicles. Bodo’s Power Systems, Aug. 2007.
  10. Panzer C., Stolze T., Kanelis K. The EasyPIM/EasyPack IGBT Module Family for Comact Inverter Design. PCIM Magazine, June 2001.
  11. Stengert K., Goebl C. Intelligent integrated power for low power applications. Proc. EPE, Trondheim, 1997.
  12. Thoben M., Graf I., Hornkamp M., Tschirbs R. Press–Fit Technology, a solderless method for mounting power modules. Proc. PCIM, Nuremberg, 2005.
  13. Kaufmann S., Lang T., Chokhawala R. Innovative press pack modules for high power IGBTs. Proc. ISPSD, Osaka, 2001.
  14. Grasshoff T., Schäfer N. A new non–isolated power module concept. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  15. Scheuermann U. Reliability of Pressure Contacted Intelligent Integrated Power Modules. Proc. ISPSD, Santa Fe, NM, 2002.
  16. Ikonen M., Scheuermann U., Silventoinen P. Power Cycling Lifetime of Power Modules at High Temperature Swings. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  17. Held M., Jacob P., Nicoletti G., Scacco P., Poech M. H. Fast Power Cycling Test for IGBT Modules in Traction Application. Proc. Power Electronics and Drive Systems, 1997.
  18. Finis G., Claudi A. On the dielectric breakdown behavior of silicone gel under various stress conditions. IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation,Vol. 14, 2007.
  19. Schulz–Harder J., Excel K. Advanced DBC Substrates for High Power and High Voltage Electronics. Proc. EPE, Dresden, 2005.
  20. Schulz–Harder J., Exel K. Recent developments of direct bonded copper (DBC) substrates for power modules. Proc. ICEPT, Shanghai, 2003.
  21. Luechinger C. Large Aluminum Ribbon Bonding — An Alternative Interconnect Solution for Power Module Applications. Proc. PCIM, Nuremberg, 2005.
  22. Friedrichs P. Silicon Carbide power devices — Status and upcoming. challenges. Proc. EPE, Aalborg, Denmark, 2007.
  23. Roßberg, B. Vogler, Herzer R. 600V SOI Gate Driver IC with Advanced Level Shifter Concepts for Medium and High Power Applications. Proc. EPE, Aalborg, Denmark, 2007.
  24. Coppola L., Huff D., Wang F., Burgos R., Boroyevich D. Survey on High Temperature Packaging Materials for SiC–Based Power Electronics. Proc. PESC, Orlando, FL, 2007.
  25. Horio M., Nishizawa T., Ikeda Y., Mochizuki E., Takahashi Y. Investigations of High Temperature IGBT Module Package Structure. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  26. Billmann M., Schimanek E., Buerhop–Lutz C. Thermal shielding techniques for power electronic devices in high temperature applications. Proc. PCIM, Nuremberg, 2007.
  27. Moser H., Bittner R., Beckedahl P. High reliability, integrated inverter module (IIM) for hybrid and battery vehicles. Proc. VDE EMA, Aschaffenburg, 2006.
  28. Tursky W., Beckedahl P. Advanced drive systems. Proc. IEEE PESC/CIPS, Aachen, 2004.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке