尽管不同应用领域的需求可能千差万别，但所有情况下，开发可靠的功率模块封装技术都是首要目标。目前最常见的封装方案是带背板或不带背板的焊接模块，以及近年来兴起的采用烧结技术的无背板模块。这些封装技术各有优缺点，因此，在设计时若要考虑使用寿命，则需要根据混合动力和电动汽车应用的需求对这些技术进行评估。环境温度的变化，例如冷却水循环中的温度变化，会导致被动热循环。此外，功率半导体中的功率损耗会导致温度在短时间内（5-20秒）从40°C升至60°C。例如，功率半导体的温度会从冷却液温度70°C升至110°C-130°C以上，然后再冷却回冷却液温度。由于所用材料的热膨胀系数各不相同，所有这些温度变化都会导致机械应力。这会导致焊点和连接处疲劳，最终导致元件失效。.
避免焊接连接：
在采用压接技术的无主板电源模块中，多种方法被用于提高模块的可靠性。通过始终避免焊接连接，可以彻底消除焊点疲劳——电源模块中一种常见的机械故障。在这种模块中，芯片与陶瓷基板（DBC）之间的焊接连接被烧结层所取代，并采用压接技术进行连接。取消主板具有以下几个优点：首先，可以减少模块与散热器之间的导热硅脂层厚度。导热硅脂是影响电源模块整体热阻的主要因素之一；因此，应使用尽可能薄的导热硅脂层。在带有主板的模块中，需要75-150微米厚的导热硅脂层来补偿主板的柔性。而在无主板模块中，主要问题是如何补偿散热器和DBC表面的粗糙度，因此20-30微米厚的导热硅脂层就足够了。拆下主板可以消除热应力的主要原因之一（见图 1）。
如40°C/125°C被动加速热冲击试验所示，温度引起的应力得到有效降低，可靠性得到提高：对于无底板的烧结组件，潜在的热冲击次数增加了15倍。消除互连线和底板上的焊料的另一个优势在于，对于带底板的组件，必须尽量减少焊接的DBC区域，以减少焊点处的材料疲劳；此时，底板的高导热性可确保必要的热扩散。相比之下，在无底板的组件设计中，DBC区域可以更大。
最佳热分布
本文分析了400A、600V三相逆变器模块中IGBT和反激二极管的布局。在带底板的模块中，每个半导体开关使用两个200A IGBT和两个200A反激二极管。一个完整的相由四个IGBT和四个反激二极管组成。对于不带底板的模块，最优布局是每个开关使用四个100A IGBT和两个200A反激二极管（每相八个IGBT和四个反激二极管）。这意味着不带底板的三相模块的底面积将比带底板的模块大约大10%（见图2）。.
逆变器工作时会产生导通损耗和开关损耗，这意味着功率半导体器件会成为局部热源。利用三维有限元计算，可以计算逆变器模块和散热器在任何给定工作状态下的热扩散情况。例如，当混合动力或电动汽车加速时，大部分功率损耗发生在IGBT中，而反激二极管承受的负载较小（见图3）。.
因此，在热成像图中，IGBT 的位置呈现为强烈的热源。对于带有底板的模块，热量集中在三相结构的中心。由于半导体的最终位置以及各相之间的距离较短，IGBT 在此位置的温度最高。尽管在此工作状态下，续流二极管仅承受中等负载，但 IGBT 仍会导致模块中心二极管的温度显著升高。相比之下，逆变器模块两端的二极管温度则低 15°C。尽管有底板，逆变器模块外侧区域的功率半导体温度仍逐渐低于中心区域。这最终导致三相之间的热量分布不均匀：中心相 IGBT 的平均热负载比最外侧相 IGBT 的平均温度高出近 10°C。IGBT 最高温度和最低温度之间的差异超过 20°C。中心相限制了整个逆变器模块的可用电功率。这会带来两个后果：首先，必须选择合适的冷却条件和负载，以防止中心相温度过高；其次，温度引起的故障机制在中心相更为显著。这意味着逆变器的功率电路设计工程师必须始终考虑中心相的温度。.
在没有背板的SKiM模块中，热分布更加均匀：同样，IGBT的位置也是最主要的热源。然而，由于热损耗分布在多个位置，且DBC之间的距离更大，因此有更多空间用于散热。由此产生的损耗可以有效地散发，从而减少IGBT和二极管之间的相互发热。最佳的散热性能也确保了不同相之间的负载分布均匀：逆变器三个相中的IGBT和二极管的温度均匀，且三个相中IGBT的平均温度几乎相同。IGBT之间的最大温差不超过10℃。负载分布均匀，从而可以充分利用可用的冷却能力，简化整个系统的设计。此外，每个陶瓷DBC基板上的温度传感器可以对各个相进行单独评估，为工作温度的监测提供了额外的选项。.
温度和寿命：
为了分析运行中逆变器的实际热负载，必须考虑随时间变化的负载。在混合动力或电动汽车的实际运行过程中，会出现几种负载状态：车辆加速时，IGBT 处于高负载状态；而减速时，能量回收和电机电池充电，此时反激二极管处于最高负载状态。为了描述逆变器模块的随时间变化的发热情况，还必须研究功率模块在 0.1 秒至 30 秒充电周期内的行为。对于两种配置，IGBT 的热阻都会随着充电脉冲持续时间的增加而增加（参见图 4）。热量开始流动，从功率半导体向散热器扩散，导致整个模块升温。如果充电脉冲持续时间超过 30 秒，则整个模块将升温，热阻将停止增加。
现在可以利用随时间变化的热阻值来计算半导体开关在运行过程中所承受的热负载。为此，需要模拟实际应用中的充电循环，以模拟典型的充电状态和充电脉冲持续时间。以混合动力汽车的充电循环为例。在初始启动和加速阶段，电池会提供能量来驱动电机。在这些加速阶段，输出功率可达 60 kW。IGBT 的温度会根据逆变器的输出线性上升至 95 °C（见图 5）。在恒速行驶阶段，逆变器所需的功率非常小，半导体的温度也会再次下降。在减速阶段，目标是尽可能多地回收能量并回馈到电池中。在这种情况下，IGBT 和二极管的功率损耗大致相同，而需要散发的热量处于最高水平，IGBT 的温度接近 110°C。.
IGBT 的最大温升为 ΔT = 40 °C。就组件寿命而言，这相当于 600 万次充放电循环（见图 6）。均匀的温度分布对逆变器的使用寿命至关重要，并影响其设计。如果温升仅高出 10 °C（ΔT = 50 °C），则可能的充放电循环次数将减少三分之二，仅为 200 万次。为了实现长寿命设计并优化半导体利用率，均匀的损耗分布绝对必不可少。.
总之
，无背板烧结组件为提升混合动力和电动汽车逆变器的可靠性提供了多种可能性。它消除了焊接连接的缺点以及背板上温度膨胀不均匀的问题。优化的设计确保了运行过程中所有功率半导体的温度分布基本均匀。这意味着在计算预期使用寿命时，所有三个阶段的温度都可以同等考虑，从而简化了逆变器设计。即使在较大的主动和被动温度变化下，逆变器的可靠性也得到了显著提高。无背板烧结组件的广泛应用证明了这一点，例如在电动动力总成、乘用车和商用车，以及赛车等高要求应用中。
作者：
塞米克隆产品经理 Volker Demuth 博士
