受對高功率密度、可靠性和降低系統(tǒng)成本需求的驅(qū)動，功率模塊技術(shù)必須找到新的方法來滿足市場需求。為了實現(xiàn)顯著的性能提升，必須檢討現(xiàn)有的設(shè)計方法。在電動交通和可再生能源市場，連接和裝配技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。對緊湊型系統(tǒng)、高可靠性、低成本的需求意味著需要新的技術(shù)方法，并且應用于電力電子的經(jīng)典模塊 - 銅基板、焊接、模塊外殼和綁定線 - 將逐漸從市場上消失。當今的6MW風力發(fā)電機組約使用3000cm²的硅面積（IGBT和二極管）。為了實現(xiàn)電力電子的高效性，必須實現(xiàn)新的逆變器概念。這意味著更高的硅利用率、更少的組件數(shù)量，而非常重要的是更少的機械和電氣接口。如今，MW級的大功率逆變器都基于模塊和/或逆變器的并聯(lián)。這不但增加了成本更降低了整體可靠性。冗余是實現(xiàn)所要求的高效率系統(tǒng)的一個可選方法，唯一的缺點是初始投資較高。
功率模塊設(shè)計
SKiN封裝技術(shù)是基于使用燒結(jié)層替代焊接[1]。在這種結(jié)構(gòu)中，綁定線被燒結(jié)在芯片表面的柔性板所取代。與采用綁定線的系統(tǒng)不同的是，該芯片的上部和底部具有相同的金屬化層（如銀層），這意味著芯片頂部和底部的高可靠燒結(jié)層與電流路徑廣泛連接。綁定線只能接觸約20%的潛在芯片接觸面積。圖1顯示了采用SKiN技術(shù)連接IGBT和二極管，其中兩側(cè)帶有銅層的柔性印刷電路板通過Ag擴散燒結(jié)附著在芯片上。彈簧提供輔助電氣連接確保驅(qū)動器接口焊接少且非常緊湊。
功率半導體的最大允許功率耗散受最大允許結(jié)溫、冷卻介質(zhì)的溫度和芯片與冷卻介質(zhì)之間的熱阻限制。在帶有高性能水冷散熱器的電力電子系統(tǒng)熱模型中，導熱硅脂是一個關(guān)鍵的影響變量，占了整個系統(tǒng)熱阻的約30%。通過將DCB與散熱器燒結(jié)在一起，可消除該缺點。將底板材料帶入液體冷卻回路時要非常小心長期腐蝕的影響。冷卻介質(zhì)和基板材料/涂層必須匹配。因此，鋁是首選，因為當液體中含有少量的氧時，鋁會自鈍化（天然氧化鋁）。但對于基板來說，鋁又不是首選，因其熱膨脹系數(shù)高并且與焊接的兼容性差。不過，也有辦法來解決這些問題：使用銀擴散燒結(jié)將一塊純鋁的小面積針翅式散熱器燒結(jié)到DBC基板。帶基板的分層系統(tǒng)熱阻和SKiN技術(shù)的對比表明，IGBT結(jié)溫和冷卻液溫度之間的熱阻下降了30%。圖2顯示出主端子也燒結(jié)到DCB基板上，提供了至直流母線的大電流接觸。與電容器或直流母線的焊接可實現(xiàn)成本效益、緊湊且可靠的接口。在MW級范圍內(nèi)可利用高電流密度來產(chǎn)生高度緊湊且可靠的系統(tǒng)。
電感率
對于適用于高、中開關(guān)頻率的模塊，必須將IGBT和二極管之間雜散電感設(shè)計的小。這樣具有高di/dt，可支持快速和低開關(guān)損耗。為了防止開關(guān)信號上的高噪聲電平，主電路與輔助電路之間必須低耦合。使用的柔軟銅層允許新的設(shè)計方法改進和簡化的半橋電路的布局。對稱布局使得換向通道短并且簡化了并聯(lián)操作，從而簡化了IGBT之間的電流共享。基于帶有主要寄生電感的模塊仿真模型，可以計算出整體的換向電感。有端子和無端子兩種情況下的TOP IGBT和續(xù)流二極管的換向電感值已計算出。
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無端子 |
有端子 |
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TOP IGBT1 |
L = 4,66nH |
L = 15,0nH |
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TOP IGBT2 |
L = 5,08nH |
L = 15,2nH |
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IGBT1 || IGBT2 |
L = 4,62nH |
L = 14,8nH |
仿真結(jié)果表明，雜散電感主要來自主端子。兩個SKiN單元的并聯(lián)運行會使換相電感增加到25.7nH。與經(jīng)典采用綁定線技術(shù)的模塊相比，雜散電感（典型值）減小了10%。對電流換向期間的電流流動的分析表明，這種改進對于消除綁定線環(huán)路沒有作用，但它還是有點被SKiN柔性電路層上電流路徑的更小封閉側(cè)面積所激發(fā)。與采用母線的模塊設(shè)計相比，兩個模塊近距離并聯(lián)可至少減少50%的雜散電感，這對于所期待的良好電流共享來說是一個很好的指示。由主端子所帶來的主要電感可進一步通過不同的布局來加以改善。這顯示出SKiN技術(shù)的適宜性將成為寬禁帶材料的下一個封裝平臺。
多MW模塊的裝配概念
基于熱性能和已實現(xiàn)的功率密度，已經(jīng)完成一種新的設(shè)計方法，以一種不同的方式布局電力電子器件和散熱器。對于液冷應用來說，最高可達功率密度是最大的好處。如今，大多數(shù)散熱器被布置在相同的層級上作為模塊和母線的主裝配方向。體積更小的SKiN單元允許其他的設(shè)計方法。SKiN模塊被布置在水冷散熱器的對面形成一個功率模塊構(gòu)建塊（圖3）。主水流使用的是第三維。
SKiN技術(shù)基于柔性箔取代綁定線。驅(qū)動器接口使用彈簧來接觸柔性箔的表面。
基于SKiN技術(shù)、帶有燒結(jié)主端子和輔助觸點的模塊
功率構(gòu)建塊中的模塊布局
接觸PCB板的彈簧和帶有4個SKiN單元和驅(qū)動器板的緊湊型功率塊的詳細視圖
為了驗證動態(tài)性能，對模塊進行了開關(guān)測試。4個構(gòu)建塊被安裝上的分布導軌上并配置為并聯(lián)半橋。圖6給出了一個1700V單元的開關(guān)特性。在1300V的直流母線電壓下，它有可能開關(guān)2.000A，直到達到阻斷電壓限制。總共使用了16個額定電流為150A Icnom的SKiN。相鄰模塊之間的近距離和低電感連接降低了電感，使得并聯(lián)單元之間具有優(yōu)越電流共享。每個功率塊也具有優(yōu)異的過載能力，而且不需要任何吸收電容。對于1個功率塊的，2400A的脈沖開關(guān)測試已經(jīng)完成。
結(jié)論
SKiN技術(shù)是一個革命性的技術(shù)進步。它通過無綁定線封裝技術(shù)平臺增強了可靠性，減小了熱阻并改進了內(nèi)部寄生電感。不過，為了利用這一新技術(shù)所帶來的優(yōu)勢，對于這一新封裝平臺，模塊的外形和系統(tǒng)配置是不同的。
由于去除了熱界面材料并集成了一個高性能的針鰭式散熱器，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，有可能增加一倍的功率耗散。僅去除導熱硅脂一項就可以減少25%的芯片結(jié)到水的總熱阻。基于SKiN技術(shù)的單元是支持緊湊裝配的構(gòu)建塊。這是由主端子的無螺絲連接和采用彈簧接觸連接驅(qū)動板來得以保證的。一種新的設(shè)計方法，采用3 MW水冷式模塊用于風電變流器，顯示出與基于標準模塊的解決方案相比，可以實現(xiàn)2倍的電流密度。風電逆變器應用的監(jiān)管要求對諸如電壓和低頻穿越條件等電網(wǎng)支持有著苛刻的要求。功率模塊必須支持這些條件，具有在過載或高壓的條件下運行的能力。有了這一模塊概念，在機艙空間有限的情況下，也可以很容易地實現(xiàn)3MW以上的風電逆變器。與中壓系統(tǒng)相比，由于限制更少和成本更低，利用這些已知優(yōu)勢將會為低壓逆變器開辟6MW以上的市場。有了SKiN技術(shù)，包含新寬禁帶材料功率器件的封裝技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，并允許它們被用在中高功率領(lǐng)域。
5. 參考文獻
[1] P. Beckedahl et al.: Performance comparison of traditional packaging technologies to a novel bond wireless all sintered module; PCIM Europe 2011
[2] C. Göbl, P. Beckedahl: A new 3D power module packaging without bond wires, PCIM Europe 2008
[3] C. Göbl: Low Temperature Sinter Technology Die Attachment for Power Electronic Applications,CIPS 2010
[4] T. Stockmeier, P. Beckedahl, C. Göbl,T. Malzer: SKiN: Double side sintering technology for new packages, ISPSD 2011
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