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今天，功率半導體為很多應用提供高功率密度的解決方案。 如何將功率器件的發熱充分散出去是解決高功率密度設計的關鍵。 通過使用IGBT焊接在雙面覆銅陶瓷板（DCB）上可以幫助減少散熱系統的熱阻，前提是需要IGBT單管封裝支援SMD工藝。 本文將展示一種可迴流焊接的TO-247PLUS單管封裝，該封裝可將器件晶元到DCB基板的熱阻降至最低。

商業、建築和農業車輛（CAV）應用競爭激烈不斷發展，要求不斷提高功率密度並降低成本。 使用單管方案可以有效的降低產品成本，同時也要求單管IGBT要承受重載週期中產生的熱量。 為了支持這樣的要求，功率半導體應具有較低的損耗，並在標準封裝中使用盡可能大的晶元，系統熱阻要最低。 一個可能的解決方案是將單管安裝在水冷散熱器上。 為了滿足絕緣要求，器件被安裝或焊接到DCB上。 DCB本身也被固定在水冷散熱器上。 為了滿足較低的系統損耗和可靠的運行，本文所描述的器件採用了EDT2 IGBT晶元，具有750V的阻斷電壓，可用於500V的電池系統。 更高的阻斷電壓為雜散電感產生的關斷應力提供了更多的設計裕量。 為了滿足CAV的高電流要求，該器件採用了能裝入TO-247PLUS封裝的最大的晶片。 再加上短路穩健性和出色的輕載功率損耗，EDT2技術是CAV應用的完美選擇。

TO-247PLUS是一種可以容納高功率密度解決方案所需的大型晶元的理想封裝[1]。 為了最大限度地提高其熱性能，需要將晶元到冷卻系統的熱阻降至最低。 一種解決方案是將封裝的背面通過DCB焊接到水冷散熱器上。 作為一個標準的通孔器件（THD），一般使用的是波峰焊工藝。 為了承受回流焊工藝，需要對標準TO247封裝進行改進。 使用共聚焦掃描聲學顯微鏡（CSAM）對標準的TO-247和改進的TO-247PLUS封裝進行評估。 滿足濕度敏感水準（MSL） 3存儲條件下的產品，在峰值溫度245°C及該溫度以下進行迴流焊接，可以持續30秒。 TO-247PLUS 封裝的改進版是根據標準JEDECJ-STD-020E設計和認證的。 圖1展示了標準TO-247封裝的結果。

在引腳頂部以及晶元表面可以觀察到明顯的分層。 眾所周知，這種分層會在產品的使用壽命內對導線產生負面影響。 此外，晶元墊片上的分層，延伸到封裝表面，可能會形成一條通往封裝外部的路徑，使晶元暴露在惡劣的環境條件下，如濕度。 標準的TO-247封裝不建議用於迴流焊焊接。

圖2展示了TO-247PLUS封裝的改進版在1000次溫度迴圈后的測試結果。 晶片頂部、晶元墊片、引腳頂部或晶元焊接層沒有分層。 因此，這種封裝是迴流焊接的理想選擇。

還進行了進一步的測試，以確定TO-247PLUS封裝適用於表面貼裝器件的極限。 滿足MSL1儲存條件的產品，在峰值溫度245°C及該溫度以下迴流焊並持續30s，該封裝經歷了多達2000次溫度迴圈。 圖3和圖4顯示了CSAM的測試結果。 沒有發現嚴重的分層或電氣故障。 這進一步驗證了TO-247PLUS SMD封裝改進版的有效性。

針對電機驅動器的大電流測試，將該元件安裝DCB上，在該應用相關的條件下進行測試用來評估TO-247PLUS SMD封裝的在該應用條件下的熱性能。

3.1測試設置和條件

這些評估中使用的測試樣品是750V/200A的EDT2 IGBT晶元和200A的EmCon3二極管晶元封在TO-247PLUS SMD封裝中，設計用於主驅系統，特別是CAV應用。 EDT2 IGBT針對汽車應用，使用了微溝槽柵設計，針對10kHz範圍內的開關頻率進行了優化，降低了導通和開關損耗。 圖10是DUT組裝DCB並安裝在底板上的圖形說明。

兩個單管並聯，使用B6拓撲，總共有12個測試樣品。 所有的DUT都被回流焊接在DCB上，並安裝在水冷散熱器基板上。 負載是一個永磁電機。 熱電偶被用來監測IGBT溫度、散熱器基板和進水/出水口。 該逆變器的母線電壓為310V，水溫被設定為27°C。

3.2測試結果

熱測試涉及最壞條件下的應用情況。 在低開關頻率下，變頻器各相上的IGBT都會在較長的時間內導通高峰值電流。 如果冷卻設計不合適，IGBT/二極體將被加熱，可能達到超過晶元的溫度。

堵轉工況是電機驅動的極端工況，考驗著系統的散熱能力和極限性能。 下面是堵轉測試的結果。

表1 10kHz開關頻率下的堵轉測試數據

表2 4kHz開關頻率下的堵轉數據