Усовершенствованная технология сборки 600-А модулей EconoDUAL3 фирмы Infineon

№ 1’2012
PDF версия
Повышение плотности мощности при разработке силовых модулей актуально не только для новых, но и для уже существующих корпусов. Их модернизация связана с решением двух главных проблем — удовлетворение растущих требований к допустимой токовой нагрузке (в амперах) и к отводу тепла. За счет адаптации традиционных корпусов к более высокому уровню мощности можно модернизировать схемы существующих инверторов, чтобы увеличить выходную мощность без изменения механической конструкции.

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.

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.

Таблица. Основные физические свойства меди и алюминия

Параметр

Медь

Алюминий

Удельное электрическое сопротивление, мкОм×см

1,7

2,7

Теплопроводность, Вт/м×K

400 

220

Коэффициент теплового расширения, ppm

16,5

25

Предел текучести, МПа

≈140

≈29

Модуль упругости, ГПа

110–140

~50

Температура плавления, °C

~1083

~660

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

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. 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)

Моделирование допустимой токовой нагрузки на силовых выводах, подключенных через 10 медных 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:

Rth = s/.

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.

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

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.

Новый 600А/1200В EconoDUAL3 с медными проволочными соединениями и оптимизированной подложкой DBC

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.

Литература
  1. Bässler M. et al. 1200V IGBT4 High Power — a new technology generation // Proc. PCIM. Nuernberg, 2006.
  2. Tschirbs R., Borghoff G., Nübel T., Rusche W., Strotmann G. Ultrasonic metal welding as contact technology for state-of-the-art power modules // Proc. PCIM. Nuernberg, 2008.
  3. Siepe D., Bayerer R., Roth R. The future of wire bonding is? Wire bonding! // Proc. Nuernberg, 2010.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.