热循环能力的大突破——适用于汽车工业的无焊接压接式模块

托马斯 • 格拉斯霍夫（Thomas Grasshoff）  产品管理经理，赛米控国际公司
克里斯汀• 戈谢（Christian Daucher） 产品经理，赛米控电子公司

    当一些电力电子产品供应商仍在改进标准模块中的焊接连接时，无焊接压接触点技术因其高功率循环能力已成为最顶级的电力电子模块解决方案。
    赛米控的新SKiM六封装IGBT模块系列将无底板的压接模块设计带入更高的层次。稳健的高功率模块设计使这些模块成为混合动力电动汽车和其它高端应用的理想选择。与带底板且内部主端子采用焊接方式的模块相比，无底板且采用无焊接压接技术的SKiM的温度循环能力提升了5倍。

图1：SKiM和带底板的焊接型标准模块之间的对比

    混合动力或纯电动汽车的电力驱动系统对运行环境的要求主要体现在环境温度、功率和温度循环能力及模块的尺寸。下一代混合动力汽车中将使用单一冷却回路，正常运行时，水温将高达105℃，在降低额定功率运行时，可上升到120℃。电力电子器件的最高额定环境温度为>125℃。此外，紧凑型的封装结构和耐振动和冲击的稳健设计也是必须的。只有当承受的最大半导体结温高于150℃时，才能实现105 ℃冷却温度下的高功率密度。
    由于焊接疲劳的原因，带底板的焊接式功率模块的功率循环能力在较高运行温度下会大幅度地下降。各种材料热膨胀系数（CTE）的相互匹配和先进的封装及绑定技术成为成功的关键。
    最关键问题的是铜（底板）和DBC基板之间的CTE差异，因为DBC和底板之间存在大面积的焊接连接。该连接在被动温度循环中大多存在热应力状态。故障机理是焊料疲劳，这将导致热阻增加和早期模块故障。温度变化的越大，进入疲劳状态越快。
    在无铜底板和采用无焊接压力接触式模块中，情况正好相反。在SKiM中，一个新开发的基于层叠母线的压力系统将带芯片的基板直接压置在散热器上。由于每个IGBT和二极管芯片都有自己至主端子的连接，并联芯片间的电流分布是很均匀的，而且封装电阻RCC’+EE’小。DBC基板和散热器之间的大面积连接不是焊接的，根据温度循环可靠性，基板可以在散热器上几乎不受限制地“移动”。
    由于成本和高功率密度的要求，而且热性能相对较差，铝碳化硅（AlSiC）对铜底板来说并不合适。
    作为这一问题的解决方案，赛米控早在15年前就开发了SKiiP技术，一个无底板的压接系统。该系统完全消除了大面积的焊接连接，取而代之的是压力连接。当前，SKiiP技术已针对新SKiM汽车模块概念做了进一步改进，以确保模块的有效、可靠和耐用。SKiM是为满足汽车应用的高功率密度和恶劣环境条件的严格要求而设计的。
     SKiM IGBT模块系列的电路是带有3个独立半桥的六封装器件。每个半桥都有自己直流端子并集成了一个负温度系数（NTC）温度传感器。控制IGBT的辅助触点是无焊接的弹簧连接。IGBT驱动器可安装在模块的顶部进行电气连接。因为高度相同，都是17mm，DC和AC端子具有相同的DC端子位置和构造原则，这使得该模块成为不同电流等级下模块化设计的最佳选择。

图2：无焊接压接触点模块SKiM 63

    减少二氧化碳的排放和可持续性发展是当前的流行语。为了应对这些以及未来环境的挑战，变速驱动必须要成为汽车市场的一个更加重要的组成部分。SKiM模块系列就是专为快速增长的混合动力和电动汽车、巴士等汽车市场而开发的。

来自：焊接界