作者：Omar Harmon, Zhenbo Zhao, Lukas Hein，来源：英飞凌工业半导体
今天，功率半导体为很多应用提供高功率密度的解决方案。如何将功率器件的发热充分散出去是解决高功率密度设计的关键。通过使用IGBT焊接在双面覆铜陶瓷板(DCB)上可以帮助减少散热系统的热阻，前提是需要IGBT单管封装支持SMD工艺。本文将展示一种可回流焊接的TO-247PLUS单管封装，该封装可将器件芯片到DCB基板的热阻降至最低。
1. 引言
商业、建筑和农业车辆(CAV)应用竞争激烈不断发展，要求不断提高功率密度并降低成本。使用单管方案可以有效的降低产品成本，同时也要求单管IGBT要承受重载周期中产生的热量。为了支持这样的要求，功率半导体应具有较低的损耗，并在标准封装中使用尽可能大的芯片，系统热阻要最低。一个可能的解决方案是将单管安装在水冷散热器上。为了满足绝缘要求，器件被安装或焊接到DCB上。DCB本身也被固定在水冷散热器上。为了满足较低的系统损耗和可靠的运行，本文所描述的器件采用了EDT2 IGBT芯片，具有750V的阻断电压，可用于500V的电池系统。更高的阻断电压为杂散电感产生的关断应力提供了更多的设计裕量。为了满足CAV的高电流要求，该器件采用了能装入 TO-247PLUS封装的最大的芯片。再加上短路稳健性和出色的轻载功率损耗，EDT2技术是CAV应用的完美选择。
2. TO-247PLUS单管封装的回流焊接
TO-247PLUS是一种可以容纳高功率密度解决方案所需的大型芯片的理想封装[1]。为了最大限度地提高其热性能，需要将芯片到冷却系统的热阻降至最低。一种解决方案是将封装的背面通过DCB焊接到水冷散热器上。作为一个标准的通孔器件(THD)，一般使用的是波峰焊工艺。为了承受回流焊工艺，需要对标准TO247封装进行改进。使用共聚焦扫描声学显微镜(CSAM)对标准的TO-247和改进的TO-247PLUS封装进行评估。满足湿度敏感水平(MSL) 3存储条件下的产品，在峰值温度245°C及该温度以下进行回流焊接，可以持续30秒。TO-247PLUS 封装的改进版是根据标准JEDECJ-STD-020E设计和认证的。图1展示了标准TO-247封装的结果。
Fig.1 标准TO-247封装的CSAM
在引脚顶部以及芯片表面可以观察到明显的分层。众所周知，这种分层会在产品的使用寿命内对导线产生负面影响。此外,芯片垫片上的分层,延伸到封装表面,可能会形成一条通往封装外部的路径，使芯片暴露在恶劣的环境条件下，如湿度。标准的TO-247封装不建议用于回流焊焊接。
图2展示了TO-247PLUS封装的改进版在1000次温度循环后的测试结果。芯片顶部、芯片垫片、引脚顶部或芯片焊接层没有分层。因此,这种封装是回流焊接的理想选择。
图2 满足MSL1存储条件的TO-247PLUS单管经过1000次温度循环后的C-SAM
还进行了进一步的测试,以确定TO-247PLUS封装适用于表面贴装器件的极限。满足MSL1存储条件的产品，在峰值温度245°C及该温度以下回流焊并持续30s，该封装经历了多达2000次温度循环。图3和图4显示了CSAM的测试结果。没有发现严重的分层或电气故障。这进一步验证了TO-247PLUS SMD封装改进版的有效性。
图3 满足MSL1存储条件并在2000次温度循环后的TO-247PLUS SMD芯片顶面的C-SAM
图4 满足MSL1存储条件并在2000次温度循环后的TO-247PLUS SMD管脚顶部的C-SAM
3. 热性能测试
针对电机驱动器的大电流测试，将该器件安装DCB 上，在该应用相关的条件下进行测试用来评估TO-247PLUS SMD封装的在该应用条件下的热性能。
3.1 测试设置和条件
这些评估中使用的测试样品是750V/200A的EDT2 IGBT芯片和200A的EmCon3二极管芯片封在TO-247PLUS SMD封装中，设计用于主驱系统，特别是CAV应用。EDT2 IGBT针对汽车应用，使用了微沟槽栅设计，针对10kHz范围内的开关频率进行了优化，降低了导通和开关损耗。图10是DUT组装DCB并安装在底板上的图形说明。
图10 测试组件。12个单管IGBT通过DCB安装在水冷散热器上
两个单管并联，使用B6拓扑，总共有12个测试样品。所有的DUT都被回流焊接在DCB上，并安装在水冷散热器基板上。负载是一个永磁电机。热电偶被用来监测IGBT温度、散热器基板和进水/出水口。该逆变器的母线电压为310V，水温被设定为 27°C。
3.2 测试结果
热测试涉及最坏条件下的应用情况。在低开关频率下，变频器各相上的IGBT都会在较长的时间内导通高峰值电流。如果冷却设计不合适，IGBT/二极管将被加热,可能达到超过芯片的温度。
堵转工况是电机驱动的极端工况，考验着系统的散热能力和极限性能。下面是堵转测试的结果。
表1 10kHz开关频率下的堵转测试数据
表2 4kHz开关频率下的堵转数据
4. 结论
TO-247PLUS SMD是对CAV这些需要高功率密度和可靠的功率半导体的应用来讲是理想的单管封装。该封装能够在DCB上进行回流焊接，不会产生分层。这最大限度地减少了从器件芯片到DCB的热阻。应用测试验证了EDT2 IGBT与EmCon3二极管共同封装在TO-247PLUS SMD中，满足了CAV应用的要求。与系统短路测试相当的堵转测试，器件可在最大允许的工作结温内运行。