内部连接设计
为了实现高效且高可靠性的模块，精心设计的内部连接系统至关重要（图 2）。在 SKiM 中，连接设计遵循以下设计参数：

- 电源端子与芯片之间采用无焊、低电感连接。
- 能够以最小的损耗处理高电流。
- 对称的电流路径，从而实现并联芯片间良好的电流分配。
- 压力点靠近芯片，以降低热阻。

每个芯片上均采用并联电流路径的三明治结构，确保了极低的内部寄生电感。直流和交流连接端子之间的 LCE 电感小于 10 nH，DC+ 和 DC- 之间的总电感小于 20 nH。 

有限元分析表明，大部分电感是由DC+和DC-端子之间的距离造成的。在设计阶段，进行了有限元模拟，从而实现了设计优化，并将电感降低了高达30%（-10 nH）。由于需要保持DC+和DC-之间的隔离，因此无法使用产生更小电感的夹层结构，也就无法进一步改进。要进一步降低电感，唯一的方法是采用并联连接到电容母线。.

这种设计对用户的好处包括：开关浪涌极低，这使得模块能够在更高的电压水平下工作，即使在发生短路的情况下也能平稳关断。这种无浪涌开关确保了低开关损耗和低电磁噪声。
半导体技术的最新发展使得在整个封装范围内提高功率密度成为可能。600V SKiM 93 模块中芯片的额定电流为 900A，几乎是标准模块额定电流的两倍。该电流值也超过了 IGBT 模块功率端子电流容量所设定的限制。SKiM 模块芯片所用材料使模块的总电阻 rcc'-ee'（包括接触电阻）仅为 300µΩ，是传统模块的一半。此外，高接触力保证了低接触电阻。 

此外，产生的损耗会通过DBC表面众多的接触点迅速传递到散热器。
当作为逆变器运行时，最大电流会流经交流端子。因此，该端子位于三明治结构的底部，因为此处散热效果最佳。该模块设计用于在散热器温度为70°C时输出600A的有效交流电流。该值超过了芯片设计的最高输出电流（见表1）。所有这些措施确保即使功率损耗高达约2000W，端子温度也能保持在125°C以下（见图2）。

DCB布局：
DCB的设计和芯片布局对开关特性和半导体热阻至关重要。不对称的设计很容易导致不同芯片间电流分布不均匀，差异可达10%甚至更大。如果出现这种情况，总输出电流将受限于损耗最大的元件。 

寄生电感引起的电压波动会导致并联芯片间出现振荡，进而导致它们的开关速度不一致。为了确保同步开关，电感必须尽可能小，更重要的是，它们对所有芯片的影响必须相同。采用左右两侧各一个IGBT、中间一个续流二极管的结构设计，可以保证低电感和良好的开关性能。IGBT和二极管之间的开关电流路径尽可能短，并且开关顶部（TOP）和IGBT支路底部的路径长度相同（见图3）。
图4显示了SKiM 63模块在600 A和900 Vdc下的开关特性。顶部和底部IGBT的开关损耗、浪涌和di/dt几乎完全相同。并非所有模块都如此，因为在许多情况下，由于电流路径中寄生电感的不同，会存在差异。

同样，为了充分发挥各元件的性能，模块中并联芯片间良好的电流分配至关重要。所有芯片的直流正极 (DC+) 和直流负极 (DC-) 电流路径阻抗必须相同，且电流对触发电路的影响必须对所有芯片均等。
第一个条件通过使用三明治式电路板系统得以满足。当电流从直流正极 (DC+) 切换到直流负极 (DC-) 时，磁场几乎保持不变。电源端电感相互耦合，因此可以忽略不计。所有并联芯片的阻抗完全相同。
第二个要求也已在本模块的设计中得到考虑。所有 IGBT 的栅发射极电压相同，即使在动态条件下也是如此。在 IGBT-二极管-IGBT 配置中，di/dt 引起的电压降相互抵消，这意味着所有芯片都受到键合线上电压降的同等影响。即使在极端短路条件下，也能实现非常好的电流分配。

热阻 (Rth)：
新一代芯片具有低正向压降和高结温（最高可达 175°C），使得这些模块能够实现极高的额定电流。电流密度甚至可以超过 2 A/mm²。通过选择合适的芯片尺寸，可以在额定电流、散热需求和成本之间实现最佳平衡。

热阻 (Rth) 不仅取决于芯片尺寸，还取决于芯片之间的距离（见图 5）。大尺寸芯片在其表面形成较大的温度梯度，导致模块内部导热不良。通过放置多个有效面积相同但彼此略微间隔的小尺寸芯片，可以改善 Rth。如果芯片之间的间隔较小，则芯片之间会产生再加热效应。反之，如果间隔较大，则热阻会降低。SKiM 系列产品在最佳散热性能和最大有效面积之间实现了最佳平衡，其面积介于 60 至 80 mm² 之间，芯片间距为 3 mm。
芯片两侧的压力接触可防止陶瓷底座变形。这有助于减少导热硅脂所需的厚度，从传统模块的 80-100 µm 减少到 SKiM 的 20-30 µm，从而改善模块与散热器之间的接触热阻。此外，将芯片粘合到陶瓷底座上的薄烧结银层的优异导热性能，与芯片焊接到陶瓷底座的传统模块相比，进一步提高了 SKiM 模块的 Rth 值。

可靠性：
传统的采用焊接铜底座的功率模块方案不适用于汽车应用中严苛的热循环环境。不同材料的热膨胀系数差异会在连接处产生机械应力，导致疲劳失效。无铜底座的压接式模块是传统方案的替代方案。此外，低热阻和均匀分布的热点能够降低模块各部分之间的温差，从而延长其使用寿命。 

为了提高耐负载循环性能，即使在高温下运行，SKiM 模块系列也采用低温烧结技术将芯片与陶瓷基板 (DCB) 连接起来。如果像其他工业模块那样采用焊接方式连接，则会发生老化，导致热阻增加，最终导致模块失效。烧结连接采用一层高导热性的薄银层。银的熔点为 900 °C，远高于芯片 175 °C 的最高允许温度。在对烧结模块进行的测试中，未观察到疲劳效应（见图 6）。通过消除这种失效机制，显著提高了整个系统的可靠性。. 

得益于压力和弹簧触点技术的应用以及取消了焊接芯片的铜底座，SKiM模块实现了100%的焊接。此外，由于采用了新型IGBT芯片，其最高耐温可达175°C，SKiM模块不仅实现了紧凑的电源转换器设计，还拥有无与伦比的功率密度、可靠性和耐热循环性能。.

作者：

阿伦特·温特里希博士，SEMIKRON应用经理

更多信息或报价