提升新能源車電驅(qū)方案中單管封裝的散熱性能

經(jīng)典單管TO直插封裝有兩類TO-220和TO-247，其使逆變器系統(tǒng)并聯(lián)擴(kuò)容靈活，器件成本優(yōu)勢明顯，且標(biāo)準(zhǔn)封裝容易找替代品，廣泛應(yīng)用于中小功率范圍。在單管電驅(qū)應(yīng)用方案中可以覆蓋30kW到180kW功率范圍，最多需要6-8個單管的并聯(lián)來實現(xiàn)方案。

用于最新汽車級EDT2芯片的器件參數(shù)Vcesat/Vth分布比較集中，器件之間電氣參數(shù)差異小，并聯(lián)降額比例小，可以有效提升整體輸出能力。相比第三代650V IGBT3電流密度1.6A/mm2，EDT2芯片電流密度可以達(dá)到2.8A/mm2，相同封裝尺寸內(nèi)單管封裝額定電流也在增加，芯片技術(shù)提升了產(chǎn)品電流能力，但單管傳統(tǒng)散熱方式成為提升有效輸出電流的掣肘，且功率腳需要通過電阻焊方式連接母排實現(xiàn)更大負(fù)載載流。這就是通常說的“芯片”和“封裝”兩手都要抓，想一下芯片內(nèi)部結(jié)溫奇熱無比達(dá)到175°C，還要封裝快速散熱來多干活增加輸出出力。尤其當(dāng)汽車加速超車，想感受一下加速度時推背感，瞬時大扭矩大電流輸出才能保證，那只能想辦法將封裝改進(jìn)一下，但同時還要考慮汽車電驅(qū)長期可靠性運行，滿足AQG 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

單管散熱問題

單管TO-247 PLUS是在傳統(tǒng)TO-247上經(jīng)過優(yōu)化內(nèi)部布局，以放置更多芯片實現(xiàn)電流密度增加而開發(fā)的新封裝，如圖 1（a）。其內(nèi)部鍵合綁定線數(shù)量達(dá)到4根，提升電流能力的同時也增加了產(chǎn)品可靠性，如圖1（b）。

由于新封裝上沒有額外安裝孔，安裝時用夾具可以節(jié)省生產(chǎn)時間，且整個熱擴(kuò)散底板面積達(dá)到190mm2，相比TO-247-3封裝也可以提升26%，熱表征參數(shù)熱阻RthjH也有一定改善。但這種局部封裝變化對整個輸出電流增加比較有限，如何改進(jìn)封裝來提升輸出能力？要從單管實際應(yīng)用中影響散熱外部熱傳輸?shù)穆窂饺胧帧?/span>

圖1.單管TO-247 PLUS封裝

如圖2（a）是單管散熱時的基本組成部分，由于芯片背面的集電極collector焊接在引線框架上，通過綁定線與外部功率端子相連，因此從背板到水冷板連接界面不僅要考慮散熱問題，以確保低Rth(CH)熱阻，還要保證絕緣能力達(dá)到低耦合電容Cσ的需求，確保電氣長期工作的可靠性，這都使單管的生產(chǎn)安裝相對復(fù)雜些，成本會高些。

圖2.單管散熱路徑和方法

圖2 （b）是典型兩種單管散熱絕緣方法，左邊是直接涂敷即絕緣有導(dǎo)電的復(fù)合材料，但其厚度要達(dá)到230um，折彎安裝時易損壞；右邊是常規(guī)散熱界面，采用厚度150um、導(dǎo)熱率1.3W/m*k絕緣薄膜K10來實現(xiàn)，成本比較低。

由于單管背板沿對角線形狀呈現(xiàn)中間低兩頭高的分布，有時需要50um、導(dǎo)熱率2W/m*k的導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行填充確保絕緣薄膜與底板、散熱器之間有良好接觸。更進(jìn)一步的方法，則是在單管的底板預(yù)涂絕緣復(fù)合材料，能滿足低耦合電容，2.5kV/1min 50Hz絕緣要求，這樣不僅能降低35%熱阻RthjH，增加器件輸出功率，降低器件運行結(jié)溫，而且能簡化單管安裝過程，降低生產(chǎn)成本，且100%出廠測試。但從復(fù)合材料自身導(dǎo)熱率3W/m*K上看，降低熱阻仍然有很大提升空間。從導(dǎo)熱性能上看硅脂、絕緣膜、絕緣復(fù)合材料都不是最優(yōu)的選擇，都會影響散熱性能發(fā)揮，進(jìn)而成為單管輸出功率增加的瓶頸。

背板回流焊接

那有沒有即絕緣又保證散熱良好的解決方法呢？英飛凌的TO-247 PLUS封裝像SMD一樣，其背板可以回流焊接在AL2O3DCB 或 Si3N4AMB上，同時該陶瓷基板需要再焊接到冷卻板上。圖3所示為典型結(jié)構(gòu)，每層厚度和材料導(dǎo)熱率如表1所示。焊錫材料采用無鉛合金焊材SAC305，含錫量96.5%， 3%銀和0.5%銅，符合RoHS，Reach并符合 IPC J-STD-006 標(biāo)準(zhǔn)，其潤濕性好，流動性強(qiáng)，高可焊性和擴(kuò)展性，其典型液相線溫度為220°C。在實際應(yīng)用中組件也有通過導(dǎo)熱硅脂或相變材料與水冷板形成導(dǎo)熱界面，此時需要夾具來固定確保很好接觸，安裝壓力的不同會引起熱阻的差異。

圖3.單管組件背板焊接截面示意圖

下表1是上圖中200A/750V單管橫截面中每層的物理材料厚度、導(dǎo)熱系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)CTE值，其中陶瓷襯底DCB AL2O3是標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

表1.每層厚度和熱參數(shù)特性

陶瓷襯底是這個單管回流焊外部最主要的散熱路徑，除了表中標(biāo)準(zhǔn)AL2O3襯底外，還有其它如高性能ZTA AL2O3，主要性能如熱膨脹系數(shù)CTE、導(dǎo)熱參數(shù)、楊氏模量、介電常數(shù)基本都變化不大。通過在AL2O3中添加9% -30%氧化鋯ZrO2，材料抗彎曲度大大提升，大于450Mpa左右。這能有效地減小由于器件安裝時夾具產(chǎn)生應(yīng)力或焊接中熱膨脹產(chǎn)生的形變熱應(yīng)力引起絕緣襯底裂紋的風(fēng)險。另外，傳統(tǒng)DCB通過共晶鍵合法，銅和陶瓷之間沒有粘結(jié)材料，尤其單管SiC在器件高溫、大功率、高散熱、高可靠性上很難滿足需求。而氮化硅Si3N4-AMB作為絕緣襯底是在個不錯的選擇，抗彎曲度大于700Mpa，導(dǎo)熱系數(shù)是80W/m*k，熱膨脹系數(shù)2.5x10-6/k，與Si材料很接近。AMB覆銅基板利用活性元素可以潤濕陶瓷表面特性，通過活性金屬釬焊工藝形成粘結(jié)強(qiáng)度高的界面。因此，絕緣襯底選擇以及焊接工藝參數(shù)是單管背板回流焊接是否成功的外部決定因素，但單管封裝自身是否能滿足回流背板焊接是關(guān)鍵的內(nèi)部因素和基礎(chǔ)，二者在應(yīng)用層面不可或缺。

改善熱阻Rth

單管背板回流焊接對散熱和絕緣處理來說都是一個很好的解決方案，可以把影響單管輸出電流流能力的兩個關(guān)鍵問題克服?；谇氨硖峁?50V/200A EDT2單管各層材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論上熱阻數(shù)據(jù)的直觀對比，圖4分為5種不同應(yīng)用情況進(jìn)行評估，覆蓋DCB雙面、單面焊接和涂導(dǎo)熱硅脂相結(jié)合。這個只是理論上評估熱阻差異，垂直散熱看實際理論熱阻，與實際芯片發(fā)熱引起熱阻會不同。考慮客戶無法滿足焊接工藝時，可以考慮導(dǎo)熱硅脂和焊接配合的應(yīng)用情況。從結(jié)果看，這種單管背板焊接工藝大大降低熱阻，常用的DCB AL2O3相比導(dǎo)熱絕緣薄膜K10而言最大達(dá)到減少了65%，進(jìn)一步用導(dǎo)熱性能更好的AMB S3N4陶瓷襯底，熱阻還可以進(jìn)一步優(yōu)化降低。從輸出電流能力和可靠性提升上，這是一個好選擇，但從成本上講不是最優(yōu)。

圖4.不同陶瓷襯底和導(dǎo)熱硅脂結(jié)合熱阻對比

從單管芯片到外部襯底焊接整個環(huán)節(jié)RthjH里面來看，圖5和6是兩種的熱阻分布情況。從傳統(tǒng)K10分布看其占據(jù)熱阻比例達(dá)到77%，是整個散熱路徑的主要瓶頸和決定因素，因此，進(jìn)一步印證用單管背板回流焊解決這個環(huán)節(jié)的必要性。從經(jīng)典AL2O3DCB 熱阻分布看，AL2O3絕緣材料在整個散熱路徑中占比達(dá)到54%，DCB兩面的焊接層占比達(dá)到12%，因此，這也為如何進(jìn)一步優(yōu)化背板焊接增強(qiáng)散熱能力提供了方向，改善焊接層工藝，如Sinter銀燒結(jié)工藝，或高性能襯底材料，如Si3N4襯底，甚至單管芯片直接焊接在DCB上都是提升單管散熱的方向，尤其使用芯片面積更小的SiC芯片。

空洞現(xiàn)象

在背板回流焊時界面空洞率是表征基板質(zhì)量的重要因數(shù)之一，產(chǎn)生基板的空洞率主因有兩個方面，其一原料表面有凹凸、劃痕、有機(jī)污染等質(zhì)量上的問題，其二焊接工藝參數(shù)影響焊料潤濕性，不能形成有效焊接可靠的焊接層。

DCB焊接層形成的空洞不僅在周邊有放電隱患影響電氣性能，還會影響導(dǎo)熱性能，這也是焊接中不可避免的問題，同時也是背板焊接好壞的關(guān)鍵，尤其電驅(qū)長時間工作進(jìn)行高低溫沖擊時可靠性問題。圖7中左邊是小空洞聯(lián)合起來形成大的空洞，右邊是分散分布小的空洞。即使二者有相同的空洞百分比，但單個深大空洞對熱阻和可靠性影響最為嚴(yán)重，熱集中在該點上，容易出現(xiàn)熱失效問題[3]。

可以進(jìn)一步用具體化實例來看這個空洞影響，假定在單管芯片正下方有個圓形空洞，DCB尺寸20mmx23mm, 如圖8所示初始熱阻Rthja為0.292k/W, 當(dāng)空洞增加到10%，熱阻增加了10.3%；當(dāng)空洞增加到25%， 熱阻增加了34.2%。因此，空洞率和空洞大小成為單管背板回流焊接的關(guān)鍵。

回流焊接工藝要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)J-SDT-020E要求，非氣密性封裝按照濕氣引起應(yīng)力的敏感度來分類，以確保他們能正確儲存、安裝和回流焊時不被損壞。表2為無鉛封裝工藝流程的溫度定義。按照EDT2 TO-247 PLUS 3pin的厚度5mm、體積1670mm3，4pin厚度4.8mm、體積為1729mm3，焊接最大允許峰值溫度不超過245°C，如綠色方框所示。

表2 不同封裝焊接溫度

按照標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)封裝含錫鉛和無鉛來分類，目前絕大封裝都是無鉛封裝，如圖9中紅色方框所示來定義回流焊工藝要求，右圖為圖形化來顯示焊接溫度曲線，主要是要求單管封裝從預(yù)熱區(qū)域從Tsmin到Tsmax，升溫區(qū)從Tl到Tp，回流焊接區(qū)及最大允許峰值溫度Tp，到冷卻區(qū)，在每個溫度的變化區(qū)間都有溫度上升斜率和持續(xù)時間要求。

圖9.STD標(biāo)準(zhǔn)中回流焊溫度

對于用戶不要超過最大限制溫度245°C，對于單管器件焊接過程由于焊接溫度波動、背板平整度、焊料材料合金差異，其實際短時焊接峰值溫度要大于最大溫度限制，這對單管封裝優(yōu)化都帶來了挑戰(zhàn)。如圖10為不同溫度情況出現(xiàn)焊接層的空洞，這對焊接長期可靠性會帶來一些可能的風(fēng)險，需要工藝和器件封裝同時優(yōu)化來提升。關(guān)于單管真空回流焊接工藝和空洞分析，建議進(jìn)一步與原廠進(jìn)行溝通，會針對性地提出一些改進(jìn)措施和方法。

圖10.實際焊接空洞

改進(jìn)單管封裝

是不是現(xiàn)存的TO-247封裝都能滿足這種回流焊的能力呢？答案是明確不推薦。主要問題是塑封材料在運輸儲存過程中有空氣濕氣滲入其中，在高溫回流焊中發(fā)生膨脹可能會引起塑封從引線框架上出現(xiàn)分層以及芯片焊接處熔化問題，如圖11。當(dāng)背板焊接曲線最高熔點溫度越高，其分層和熔化現(xiàn)象約明顯，如圖12。所以有時需要通過預(yù)加熱方式或采用低溫焊錫膏來解決現(xiàn)存封裝的問題，這都會增加應(yīng)用成本和系統(tǒng)的長期工作可靠性。

改進(jìn)封裝TO-247 PLUS經(jīng)過優(yōu)化處理解決分層問題，使單管焊接在DCB上可以長期可靠工作。按照IPC/JEDEC J-SDT-020可以滿足MSL1 等級和焊接曲線要求，包括芯片頂部與塑封材料，引腳/引線頂部以及芯片焊接引線框架部分都沒有出現(xiàn)分層和熔化，如圖13所示。

圖13.改進(jìn)封裝后的焊接效果

英飛凌汽車級可回流焊單管有120A、160A、200A三種電流規(guī)格且該封裝在規(guī)格書中都有相關(guān)回流焊接能力的標(biāo)注和承諾，詳情請參考相關(guān)規(guī)格書?？紤]到電驅(qū)應(yīng)用中水冷條件下單管電流出力能力很高，有效值電流水平幾乎達(dá)到額定電流80%以上，其綁定線和引腳熱應(yīng)力會比較嚴(yán)重，功率回路需要母排來載流，單管功率腳也需要電阻焊能力；同時考慮未來SiC單管要做到9mohm，電流要到200A以上，TO-247 PLUS-4經(jīng)過優(yōu)化增加腳寬度來減少熱應(yīng)力，同時功率C-E之間Pin腳間距達(dá)到7mm，可以滿足高電壓470V應(yīng)用需求。由于發(fā)射極kelvin腳的引入，損耗降低的優(yōu)勢進(jìn)一步顯現(xiàn)，大約12%降低，建議產(chǎn)品設(shè)計考慮該封裝帶來的效率提升。