【導(dǎo)讀】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(gè)單管的并聯(lián)來實(shí)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(shí)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(shí)推背感，瞬時(shí)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(shí)還要考慮汽車電驅(qū)長期可靠性運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)用夾具可以節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間，且整個(gè)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(gè)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(shí)際應(yīng)用中影響散熱外部熱傳輸?shù)穆窂饺胧帧?/p>
圖1 單管TO-247 PLUS封裝
如圖2（a）是單管散熱時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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(huì)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AL2O3 DCB 或 Si3N4 AMB上，同時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)需要夾具來固定確保很好接觸，安裝壓力的不同會(huì)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(gè)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(shí)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(xiǎn)。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(gè)不錯(cuò)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(gè)很好的解決方案，可以把影響單管輸出電流流能力的兩個(gè)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(gè)只是理論上評估熱阻差異，垂直散熱看實(shí)際理論熱阻，與實(shí)際芯片發(fā)熱引起熱阻會(huì)不同?？紤]客戶無法滿足焊接工藝時(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)的必要性。從經(jīng)典AL2O3 DCB 熱阻分布看，AL2O3絕緣材料在整個(gè)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(shí)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(gè)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(huì)影響導(dǎo)熱性能，這也是焊接中不可避免的問題，同時(shí)也是背板焊接好壞的關(guān)鍵，尤其電驅(qū)長時(shí)間工作進(jìn)行高低溫沖擊時(shí)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(gè)深大空洞對熱阻和可靠性影響最為嚴(yán)重，熱集中在該點(diǎn)上，容易出現(xiàn)熱失效問題[3]。
可以進(jìn)一步用具體化實(shí)例來看這個(gè)空洞影響，假定在單管芯片正下方有個(gè)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(chǔ)存、安裝和回流焊時(shí)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(gè)溫度的變化區(qū)間都有溫度上升斜率和持續(xù)時(shí)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(dòng)、背板平整度、焊料材料合金差異，其實(shí)際短時(shí)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(huì)帶來一些可能的風(fēng)險(xiǎn)，需要工藝和器件封裝同時(shí)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(huì)針對性地提出一些改進(jìn)措施和方法。
圖10 實(shí)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(yùn)輸儲(chǔ)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(huì)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(diǎn)溫度越高，其分層和熔化現(xiàn)象約明顯，如圖12。所以有時(shí)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(huì)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。考慮到電驅(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(huì)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(shí)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(shí)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(jì)考慮該封裝帶來的效率提升。
參考文獻(xiàn)
1. Omar Harmon, Zhao Zhenbo, “Reflow Soldering of TO-247PLUS Discrete Package in Commercial, Construction and Agricultural Vehicle Application,” PCIM Europe 2022.
2. Application Note AIKQ120N75CP2 and AIKQ200N75CP2 -Product description, electrical and thermal specifications.
3. Nan Zhu, "Thermal impact of solder voids in the electronic packaging of power devices," Fifteenth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (Cat. No.99CH36306), 1999, pp. 22-29.
4. https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/automotive-qualified-igbts/automotive-igbt-discretes/aikq200n75cp2/#!?videoId=8Feq9H7yYV31RU6VDPbh6D
來源：趙振波 徐宇暄 英飛凌
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