Усовершенствованная технология сборки 600-А модулей EconoDUAL3 фирмы Infineon

Плотность мощности

Эти новые требования заставляют пересматривать существующие технологии сборки, чтобы преодолеть ограничения конкретных корпусов.

Постоянная оптимизация технологии производства кристаллов позволяет при разработке силовых IGBT-модулей повышать плотность мощности в одном и том же корпусе при смене поколений IGBT. К примеру, при переходе от одного поколения к другому номинальный ток 62-мм полумостовых модулей Infineon постепенно увеличивался от Inom = 150 А для первого поколения IGBT до Inom = 450 А для четвертого поколения [1], то есть в результате ток вырос в три раза. Это привело к повышению плотности мощности, что, безусловно, является преимуществом, особенно для схем все более и более компактных инверторов, и поэтому крайне востребовано рынком силовых IGBT-модулей.

В частности, большим спросом у разработчиков пользуются силовые IGBT-модули с повышенной плотностью мощности в традиционных, хорошо зарекомендовавших себя корпусах. Подобные модули легко интегрировать в новые инверторы и, кроме того, с их помощью можно модернизировать имеющиеся схемы для увеличения выходной мощности, не меняя механическую конструкцию.

Однако применение модулей с повышенной плотностью мощности в таких корпусах ограничено рядом факторов, например условиями охлаждения инвертора и максимально допустимой температурой системы. Что касается IGBT-модулей, здесь также следует принять соответствующие меры, чтобы максимально эффективно использовать в реальном устройстве номинальный ток, обеспечиваемый полупроводниковыми кристаллами. С этой точки зрения, двумя самыми важными параметрами конкретного корпуса силового IGBT-модуля являются допустимая токовая нагрузка / удельная проводимость и тепловое сопротивление.

Допустимая токовая нагрузка / удельная проводимость

В широко распространенных модулях, таких как EconoPACK+ или EconoDUAL3, в настоящее время для соединения силовых контактов с токопроводящими дорожками и полупроводниковыми кристаллами используются алюминиевые проводники. На рис. 1 в качестве примера показаны алюминиевые проволочные соединения в корпусе EconoDUAL3.

Рис. 1. Алюминиевые проволочные соединения в корпусе EconoDUAL3

Однако с учетом тенденции повышения номинального тока эта широко используемая технология межкомпонентных соединений может, при определенных условиях, достичь предела своих возможностей. Для новых корпусов силовых модулей найдено разумное и надежное решение: метод ультразвуковой сварки, который позволяет преодолеть возможные ограничения допустимой токовой нагрузки [2]; однако в тех случаях, когда используются традиционные корпуса модулей, возникает необходимость в других адаптируемых решениях.

Недавно для соединения контактов была предложена новая альтернативная технология с применением медных проводников [3], которые имеют значительные преимущества перед алюминиевыми. Эта технология заслуживает специального исследования в связи с потенциальной возможностью ее применения для межкомпонентных соединений DBC–DBC, а также соединений «DBC–силовые контакты».

Из сравнения основных физических свойств меди и алюминия (таблица) следует, что у меди тепловое сопротивление ниже, теплопроводность и температура плавления — выше, что обеспечивает более высокие допустимые токовые нагрузки медных соединений при аналогичных граничных условиях.

Численное моделирование (рис. 2, 3) свидетельствует о преимуществах медных проволочных соединений по сравнению с алюминиевыми с точки зрения электрических и тепловых характеристик.

Рис. 2. Моделирование допустимой токовой нагрузки на силовых выводах, подключенных через 10 алюминиевых проволочных соединений диаметром 500 мкм (предельно допустимая температура предполагалась равной T = +200 °C)

Рис. 3. Моделирование допустимой токовой нагрузки на силовых выводах, подключенных через 10 медных проволочных соединений диаметром 500 мкм (предельно допустимая температура предполагалась равной T = +200 °C)

При тех же граничных условиях предельно допустимая нагрузка по току для выбранной структуры с 10 проволочными соединения ми диаметром 500 мкм каждое выросла примерно в 1,5 раза: ток коллектора увеличился с 400 почти до 600 А. Таким образом, медные проволочные соединения идеально подходят для замены алюминиевых проволочных соединений в имеющихся корпусах IGBT-модулей, когда требуется увеличить токовую нагрузку.

Тепловое сопротивление

С повышением плотности мощности увеличивается рассеиваемая мощность внутри данного корпуса, что может представлять проблему не только для системы охлаждения инвертора, но и для всех тепловых интерфейсов внутри модуля.

В общем случае тепловое сопротивление Rth материала определяется толщиной слоя (s), площадью поверхности теплообмена (A) и теплопроводностью λ:

R_th = s/Aλ.

Из этой формулы следует, что снизить тепловое сопротивление слоя внутри силового модуля можно, если уменьшить толщину s, повысить теплопроводность λ или увеличить площадь поверхности теплообмена A за счет улучшения отвода тепла соседними слоями.

На рис. 4 схематически показаны тепловой поток и рассеяние тепла в современном силовом модуле IGBT с подложкой. В данной системе, прежде всего, нужно оптимизировать медные и керамические слои DBC; этого можно добиться, если, например, увеличить толщину проводящего слоя DBC для повышения проводимости и рассеяния тепла, повысить теплопроводность или уменьшить толщину слоя керамики DBC.

Рис. 4. Тепловой поток и рассеяние тепла в современном силовом IGBT-модуле с подложкой (выделены DBC-составляющие)

Переход к реальной продукции EconoDUAL3

С учетом изложенных выше идей была начата разработка нового модуля EconoDUAL3. Цель состояла не  только в том, чтобы достичь номинального тока 600 А в классе напряжений 1200 В за счет применения новейших кристаллов IGBT четвертого поколения, но и в том, чтобы реально повысить среднеквадратичное значение выходного тока инвертора по сравнению с имеющимся модулем FF450R12ME4 EconoDUAL3.

Для достижения этой цели в качестве соединений между токоведущими дорожками на подложках DBC и силовыми контактами были использованы медные проводники (рис. 5). Более того, были оптимизированы тепловые характеристики DBC-подложки с использованием описанных выше мер, направленных на улучшение рассеяния тепла и снижение теплового сопротивления корпуса.

Рис. 5. Новый 600-А/1200-В EconoDUAL3 с медными проволочными соединениями и оптимизированной подложкой DBC

Чтобы оценить результат внедрения новых технологий, были проведены сравнительные расчеты характеристик модуля FF450R12ME4 EconoDUAL3 и нового модуля FF600R12ME4, в котором использовались все представленные технологии сборки.

Расчеты подтверждают эффективность предложенных мер: среднеквадратичное значение выходного тока выросло почти на 30% благодаря использованию новых кристаллов IGBT четвертого поколения с повышенным номинальным током.

Выводы

В статье показано, что традиционные корпуса силовых IGBT-модулей можно усовершенствовать, значительно повысив плотность мощности за счет последовательного внедрения новых технологий сборки. Этот вывод подтверждается на примере нового полумостового модуля в традиционном корпусе EconoDUAL3, который в сочетании с новейшим четвертым поколением IGBT компании Infineon обеспечивает значительное (до 30%) повышение выходной мощности. За счет адаптации традиционных корпусов к более высокому уровню мощности можно модернизировать схемы существующих инверторов, чтобы увеличить выходную мощность без изменения механической конструкции.