提高功率器件性能的封装技术

对功率密度提升的需求给功率器件及其封装与冷却技术带来了特定的挑战。在电源转换过程中，高温和温度波动限制了最大功率输出、系统性能和可靠性。本文将概述两种不同的技术手段，旨在尽可能提高电源模块和器件的热性能和功率密度。这些方法由Littelfuse公司在PCIM Europe 2024会议上提出。

非隔离式芯片组件结合直接液体冷却

半导体电源模块通常由安装在直接铜键合(DCB)衬底上的功率器件裸片组成。对于中大功率的模块，这种衬底通常是电绝缘陶瓷材料，如氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)或氮化铝(AlN)。接着，可以将衬底连接到诸如铜的导热衬底上，并在其上装配外部散热器。宽禁带(WBG)半导体，例如碳化硅(SiC)，以其更高的效率和功率密度著称。

在模块组装工艺中已有多项技术改进，以提高其热性能并尽可能提高功率器件的能力。这些进展包括使用烧结和扩散焊接进行裸片贴装，以及采用具有更优热性能的高性能陶瓷，如氮化硅和氮化铝。即使采用了先进的陶瓷材料——陶瓷衬底可能是造成模块热阻的主要因素——电气隔离所需的厚度与由此产生的热阻之间仍存在一种固有的权衡关系。

与上述隔离模块不同，大功率盘状器件通常采用导电冷板制造，比如铝材。通过在冷板内流通非导电液体(例如去离子水和乙二醇混合物)实现有源冷却。由于功率器件和散热器之间不存在绝缘层，因此提高了热传导效率。此概念已在硅IGBT裸片上得到验证，下文将进一步详述。

设置1：带有引线键合组件的先进IGBT裸片

在此，两个额定值为1200V/200A的IGBT裸片被焊接到一块液体冷却板上。冷却板充当IGBT集电极的电气连接，而发射极和控制引脚则需通过隔离端子来实现。裸片面积约为200mm²，采用了能够使得在额定电流为200A时正向电压仅为1.2V的先进设计。这种新设计还将退饱和电流与额定电流之比提升至超过6倍，从而实现了超过600W/cm²的高功耗密度(当电流达到650A且正向压降为2V时，200mm²的裸片总功耗可达1300W)。

每个裸片利用八根承载能力达25A的键合线将其发射极连接到电源端子。为了进行热测量，裸片表面被涂黑。实验采用了大电流低电压电源为裸片供电，电流逐步递增，每次增量为50A，直至裸片结温达到允许的最大值150℃。图1展示了冷板上装配好的裸片及其在200A电流条件下拍摄的热图像。

图1：安装于冷板上的IGBT裸片及其顶部引线键合，以及在200A电流条件下拍摄的裸片热图像。(来源：Littelfuse)

在此配置下，键合线将最大电流限制在250A，在该电流强度下键合线熔断。在额定电流为200A的情况下，裸片温度仅上升70K，表明热阻小于0.1K/W，这凸显了裸片及其组件出色的热管理性能。

设置2：带有夹片组件的IGBT裸片

为了解决上述设置中键合线带来的局限，本研究采用了一种可焊接正面金属化的IGBT裸片，实现了夹片顶部装配并在IGBT正面设置了接口焊盘金属层。这种183mm²的裸片额定值为1200V/150A，并未采用设置1所示裸片所具有的先进低正向电压设计。图2展示了装配完成后的裸片及其在200A电流条件下的热图像。从中可见，键合线的限制已被克服。在此配置中，裸片所能承受的最高功耗密度为380W/cm²。同样，即便是在以150A额定电流的器件驱动200A电流的情况下，结温仍远低于允许的175℃极限。

图2：安装于冷板上的IGBT裸片及其顶部夹片键合，以及在200A电流条件下拍摄的裸片热图像。(来源：Littelfuse)

在研究过程中，对设置2进行了功率循环(PC)测试。测试期间，入口温度设定为12℃，通过实施4秒周期、占空比50%以及负载电流250A的操作，实现了90K的芯片温度变化幅度。根据图3所示的结果，按照正向电压增加5%的标准评估，使用寿命达到了145,000个周期。随着芯片金属化处理、焊料合金和焊接工艺的持续改进，预期寿命有望进一步延长。

图3：功率循环测试结果。(来源：Littelfuse)

应用领域

上述非隔离式模块适用于多种大功率应用场景，例如风力涡轮机中的可再生能源发电、钢铁工业中的金属冶炼或感应加热焊接、电池断路开关及断路器。集成液体冷却不仅能够提高功率器件、端子和直流母线电容器等各类系统元器件的可靠性和使用寿命，而且由于工作温度降低还能简化外壳的设计。

隔离式TO-247封装：ISO247

ISOPLUS是IXYS公司(现隶属于Littelfuse公司)于2003年首次在氧化铝衬底上开发的一系列内部隔离分立式功率器件封装。作为ISOPLUS家族成员之一，ISO247与标准TO-247封装引脚兼容。ISO247的核心理念在于在为裸露的漏极焊盘提供固有的电气隔离的同时，保持从裸片到该焊盘的高效热传导路径。相比之下，传统的TO-247在连接至散热器时需要外部隔离措施，为此常会用到电气绝缘的导热箔片。然而，这样做可能会显著增加器件的结至散热器的热阻，进而严重影响器件的最佳性能和功率容量，尤其是对于像SiC这样的WBG器件而言，因为大功率往往是这类系统的首要需求。

本研究中使用的ISO247封装经过了改良，以满足如SiC MOSFET等大功率器件的要求。其中包括：

• 使用Si₃N₄陶瓷衬底。它拥有约90W/mK的高热导率，以及约2.4ppm/K的低热膨胀系数，这与半导体裸片的热膨胀系数相近。高电气隔离度加上良好的机械性能使其成为高功率密度应用的理想选择。本研究中使用的ISO247封装具有2.5kV交流电持续1分钟或3kV交流电持续1秒的隔离等级。
• 混合活性金属钎焊(H-AMB)技术用于衬底的金属化处理。这一过程包括使用活性金属填充层的初始溅射工艺，随后在约850℃的温度下将铜钎焊到溅射表面上。这种H-AMB工艺确保了出色的热传到效果、成本效益以及无气孔的键合表面。

ISO247和TO-247封装之间的结构和安装差异见图4所示。

图4：ISO247和TO-247两种封装的内部结构及安装差异。(来源：Littelfuse)

SiC MOSFET热性能对比

针对1200V、25mΩ SiC MOSFET裸片，分别对其在ISO247和TO-247封装下的热性能进行了比较。TO-247外壳分别搭配了热导率为1.8W/mK和6.5W/mK的外部隔离箔。ISO247封装则在隔离漏极焊盘和散热器之间涂抹了导热膏。所有器件均安装在水冷散热器上，并维持恒定的30℃环境温度。

当加热电流为40A时，所得的热阻(R_thJH)和结温(T_vj)数据如图5所示。

图5：ISO247和TO-247两种封装的热阻抗及结温数据。(来源：Littelfuse)

结果显示，ISO247封装的R_thJH比配备更高热导率导热箔的TO-247降低了55%，并且在同一器件功率和外部冷却条件下，从裸片到散热器的温度差也减少了39%。由于热机械应力的降低，这些指标的改善可直接提高可靠性；同时，鉴于器件功耗和漏电通常在较高温度下会增加，这些指标的改善也有助于提升性能。

利用ISO247提高功率输出或降低芯片成本

上述提取的热数据还可以用来估算在给定最高结温下器件可增加的功率容量。研究发现，与TO-247相比，ISO247能够在相同的130℃芯片温度下传导高出30%的电流，从而充分发挥SiC的性能。对于一个直流母线电压为800V的有源前端转换器而言，通过使用热导率更高的导热箔，ISO247可将TO-247原本的22.7kW功率容量提升至约30kW，如图6所示。另一种利用ISO247热性能改进的方法是在保持与TO-247相同额定功率的条件下，选用具有更高导通电阻(R_DS(on))的裸片，以此来节约裸片成本。

图6：采用ISO247封装后估计可增加的应用功率输出。(来源：Littelfuse)

Sonu Daryanani

Sonu Daryanani博士于1993年毕业于英国布拉德福德大学，获得电子工程博士学位。在攻读博士期间，他在新泽西州AT&T贝尔实验室从事GaAs光电子技术的研究工作。过去25年间，Daryanani博士一直在亚利桑那州Microchip公司任职，担任器件/工艺集成工程师一职，专注于微控制器和分立器件领域的发展。目前，他是Power Electronics News的顾问和撰稿人。如需联系，可发送邮件至sldaryanani@gmail.com。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Packaging Techniques for Improved Power Device Performance，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。