為極好的低熱組和耐用性而設(shè)計(jì)

　　半導(dǎo)體功率模塊中使用的安裝和連接技術(shù)在很大程度上決定了模塊的成本、可靠性、電特性和熱特性。SEMIKRONSKiiP®技術(shù)所采用的安裝和連接原理15多年來已經(jīng)在很大的功率范圍內(nèi)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。高電流密度芯片的發(fā)展，在諸如混合動(dòng)力汽車等對(duì)環(huán)境溫度和耐久性指標(biāo)提出更高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，以及新的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)(關(guān)鍵點(diǎn)就是無鉛焊接)的出爐，均使得安裝和連接技術(shù)成為持續(xù)題高及適應(yīng)這些需要的關(guān)鍵因素。

　　SKiiP®技術(shù)壓接系統(tǒng)

　　就基本設(shè)計(jì)原理而言有兩種類型的功率模塊：帶底板的功率模塊和不帶底板的功率模塊。這兩種模塊存在的共同點(diǎn)就是為了提供電氣隔離而將硅片焊接在片狀的陶瓷基板上(DCB)。在大多數(shù)模塊中，陶瓷基板被焊接到銅底板上。銅底板的功能就是確保機(jī)械穩(wěn)定性、確保熱傳遞并提供到散熱器的良好的熱連接。通常，模塊通過位于外部的螺孔固定在散熱器上。

　　對(duì)于低功率等級(jí)的小模塊，也就是散熱比較少的模塊，就底板功能而言并不是必須的，因此可以去掉，這便降低了成本。然而模塊的基本機(jī)械設(shè)計(jì)沒有變。高功率等級(jí)的大型模塊不能如此設(shè)計(jì)，因?yàn)榇蟮钠瑺钐沾苫逶跊]有銅底板的額外支撐下會(huì)彎曲變形，這會(huì)導(dǎo)致模塊與散熱器接觸不均勻，從而出現(xiàn)“過熱點(diǎn)”。

　　SKiiP®技術(shù)想進(jìn)一步消除彎曲變形和“過熱點(diǎn)”的問題，同時(shí)增加模塊的功率密度。除了不用底板外，壓接系統(tǒng)將DCB通過幾個(gè)均勻的觸點(diǎn)直接壓接到散熱器上。

　　對(duì)于底部面積比較小的模塊如SEMITOP®或MiniSKiiP®模塊，模塊外殼的設(shè)計(jì)和材料必須確保安裝螺釘?shù)膲毫νㄟ^壓力柱傳遞到DCB。這種情況下模塊外殼還肩負(fù)著傳送壓力的雙重作用。

　　對(duì)于大的模塊如SKiiP®，SKiiP®2/3或SKAI™，集成的壓力柱和簧片用于施加所需的壓力。除了集成的壓力柱外，還有一個(gè)橋式元件用于將壓力傳遞到DCB。很多情況下，用做電氣連接的焊錫連接已經(jīng)被淘汰，而壓力接觸界面(例如MiniSKiiP®的彈簧)已經(jīng)用在了功率電路和門極驅(qū)動(dòng)電路的連接。同時(shí)它們也可以作為DCB的附加的壓力觸點(diǎn)。

　　到散熱器的熱連接

　　導(dǎo)熱硅脂是功率模塊和散熱器之間的典型的導(dǎo)熱材料。由于和金屬材料相比導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，接口的接觸電阻占了結(jié)到散熱器之間整個(gè)熱阻的很大部分。

　　帶底板的模塊用于已存在的銅底板來補(bǔ)償陶瓷基板和銅底板間結(jié)合處存在的雙金屬面效應(yīng)。與安裝螺釘外部位置相連接，這便導(dǎo)致了在底板下面會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的空隙。通常為了填補(bǔ)這些空隙需要使用100mm厚的導(dǎo)熱硅脂。

　　使用SKiiP®技術(shù)的模塊只需要厚度為25-50mm的一薄層導(dǎo)熱硅脂，就能使陶瓷基片具備極大的彈性，并在DCB上形成均勻的壓力分布。這種差別對(duì)芯片到散熱器之間的熱阻有巨大的影響，如不考慮熱傳導(dǎo)，所計(jì)算出來的熱阻僅僅具有指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上，較薄的導(dǎo)熱硅脂加上省去了銅底板的使用SKiiP®技術(shù)的模塊會(huì)使熱阻降低超過40%。

　　熱傳導(dǎo)

　　模塊底板的一個(gè)重要功能是增進(jìn)熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)指的是一個(gè)事實(shí)，由于銅底板良好的熱傳導(dǎo)性，因此它能夠增加總的有效的熱傳導(dǎo)面積，從而提高熱傳導(dǎo)率，減小了熱阻。

　　為了補(bǔ)償模塊因缺少底板所造成的熱傳導(dǎo)效應(yīng)所帶來不利，賽米控使用小芯片并聯(lián)來代替單個(gè)的大芯片。

　　當(dāng)用四個(gè)并聯(lián)小芯片來代替單個(gè)大芯片時(shí)，不利于模塊持久性工作的大芯片的溫度曲線降低了。還可以看出當(dāng)在小芯片間保持適當(dāng)?shù)拈g距時(shí)完全可以消除溫度效應(yīng)的不利影響。

　　和有底板的模塊相比，無底板的模塊當(dāng)芯片間間距增加時(shí)芯片最高溫度的降低越發(fā)明顯，原因在于單個(gè)的芯片與銅底板沒有熱路連接。

　　如果僅僅考慮小的并聯(lián)芯片及較薄的導(dǎo)熱硅脂所帶來的正面影響，我們就不難明白采用SKiiP®技術(shù)的模塊和傳統(tǒng)的帶底板的模塊相比，具有熱阻低，運(yùn)行溫度也低的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然這意味著對(duì)于同樣額定功率等級(jí)的模塊，可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度，更小的模塊封裝以及更低的封裝成本。

　　可靠性和耐用性

　　采用SkiiP技術(shù)的另一個(gè)好處就是模塊具有較好的功率和溫度循環(huán)耐力。當(dāng)帶底板的模塊達(dá)到了壽命的末期時(shí)，底板和陶瓷基板之間的焊接層將會(huì)因溫度的變化而導(dǎo)致材料疲勞進(jìn)而發(fā)生分層現(xiàn)象。這種分層現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致熱阻的增加，因此芯片運(yùn)行溫度也會(huì)增加，最終會(huì)導(dǎo)致連線脫落發(fā)生故障。

　　模塊和相應(yīng)的焊接層越大，則缺陷產(chǎn)生的概率也越高，因?yàn)榇竺娣e焊接很難控制。為了改進(jìn)焊接層的耐用性，經(jīng)常使用易于延展的含鉛焊劑。然而在不遠(yuǎn)的將來，新的無鉛管理規(guī)則將會(huì)禁止含鉛焊劑的使用。

　　對(duì)于無底板模塊，所有不利的因素，包括導(dǎo)致故障的原因，都通過采用先進(jìn)技術(shù)而消除。而且壓接系統(tǒng)還可以保證在模塊的整個(gè)生命周期內(nèi)熱阻都是恒定不變的，從而提高了模塊的可靠性和耐用性。

　　總之，基于SKiiP®技術(shù)的源自賽米控的SEMITOP®,MiniSKiiP®,SKiiP®2/3,SKAI™andSKiM®等模塊和系統(tǒng)涵蓋了很廣的功率范圍，即從0.55kW到1MW。事實(shí)上，這些產(chǎn)品是緊湊的、低成本的和耐用的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。