半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特殊設(shè)計(jì)要求
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
| 材料名稱 | 熱導(dǎo)率W/m℃（25℃） | 線膨脹系數(shù)10－6/℃（25～400℃） | 絕緣強(qiáng)度kV/mm（25℃） | 電阻率Ω·cm（25℃） |
|---|---|---|---|---|
| Al2O3 | 24～28 | 7.3 | 10 | >1014 |
| BeO | 250～300 | 8 | 10 | >1014 |
| AlN | 120～270 | 5.0 | ≥15 | >1012 |
| DCB | — | 7.4(150～200℃) | 10 | >1014 |
BeO作為絕緣導(dǎo)熱材料早期廣泛應(yīng)用于壓接式模塊，是4種材料中熱導(dǎo)率最高的材料，但由于它具有毒性，而且價(jià)格較貴，故現(xiàn)在很少采用。
高性能AlN的熱導(dǎo)率接近于BeO，作為取代BeO的優(yōu)選材料，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于壓接式電力半導(dǎo)體模塊中。
DCB瓷片是通過(guò)特殊的工藝將銅箔燒在陶瓷基片上（常用的陶瓷基片材料為Al2O3）上。它的特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)與硅片接近，利用它制作小電流模塊時(shí)可以節(jié)省玻璃鈍化芯片的下鉬片，不僅減少了材料，同時(shí)還降低了材料的熱阻和接觸熱阻，因此，它廣泛應(yīng)用于焊接式模塊中。
綜上所述，可用于模塊中的絕緣導(dǎo)熱材料的性能有很大的差異，因此，采用不同的絕緣材料組裝的同一結(jié)構(gòu)的模塊，其熱學(xué)性能就會(huì)有很大的差異，從而導(dǎo)致允許通過(guò)的電流容量不同。所以，為了保證模塊的性能，現(xiàn)在國(guó)際上通常在焊接式模塊中采用DCB瓷片，壓接式模塊中采用AlN瓷片作為絕緣導(dǎo)熱材料。
4 芯片的要求
由于模塊化是將多只芯片封裝在一只外殼內(nèi)，因此要求其性能要盡可能地保持一致。
采用陶瓷片雖然解決了絕緣問(wèn)題，但其導(dǎo)熱性能不怎么理想，就是導(dǎo)熱性最好的材料BeO的熱導(dǎo)率與銅的熱導(dǎo)率相比也差很多，所以，模塊的熱阻比分立式半導(dǎo)體器件的大很多，而模塊又是采用單面散熱，因此，只能通過(guò)增大芯片的面積或降低芯片的功耗來(lái)彌補(bǔ)其缺點(diǎn)。這就要求模塊芯片的通態(tài)壓降要盡可能的低才能滿足要求。
5 選用模塊需要注意的事項(xiàng)
不同廠家生產(chǎn)的模塊因其設(shè)計(jì)和工藝的不同，其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)會(huì)有很大的差別，特別是一些不具備設(shè)計(jì)能力和檢驗(yàn)手段的小廠，其生產(chǎn)的模塊的質(zhì)量更是無(wú)法保證，因此，在選用時(shí)需要特別注意以下幾點(diǎn)。
1）絕緣材料的選取
由于不同絕緣材料的熱導(dǎo)率有很大的差別，其價(jià)格也相差很大，因此，導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的同一外型結(jié)構(gòu)的模塊，其實(shí)際允許通過(guò)的電流容量存在很大的差異。
2）芯片的選取
為了保證模塊達(dá)到額定電流的容量，首先，要保證芯片的通態(tài)壓降；其次，要保證芯片的電流密度，即芯片的直徑。芯片是密封在外殼內(nèi)的，直徑是無(wú)法看到的，只有通過(guò)測(cè)試通態(tài)壓降等參數(shù)才能了解芯片的性能。
3）焊接模塊的焊接孔洞
影響焊接模塊質(zhì)量的主要因素是模塊的焊接質(zhì)量，特別是焊接孔洞和虛焊的發(fā)生，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。其產(chǎn)生的主要原因是焊接過(guò)程中助焊劑產(chǎn)生的氣泡沒有排出去，殘留在焊接面內(nèi)，形成孔洞；或者在焊接前對(duì)焊接面的清洗不凈，導(dǎo)致虛焊等。
4）模塊基板的形狀與接觸熱阻
模塊的熱量要通過(guò)模塊的基板傳導(dǎo)出去，因此，模塊基板與散熱器接觸的好壞，即模塊基板與散熱器的接觸熱阻，直接影響模塊的散熱效果；焊接模塊在生產(chǎn)過(guò)程中如果工藝不合理，其模塊的基板通常會(huì)產(chǎn)生中間向上凹的現(xiàn)象，因此，當(dāng)將模塊固定在散熱器上時(shí)，模塊的中間部分不能與散熱器和很好接觸，使散熱器不能充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致模塊無(wú)法通過(guò)額定電流，通過(guò)很小的電流就會(huì)燒毀。
5）模塊電流容量的誤區(qū)
目前，國(guó)外商品化的臂對(duì)式晶閘管模塊最大的僅有500A，整流管模塊最大的為700A，而國(guó)內(nèi)模塊有越做越大的趨勢(shì)，甚至做到幾千A。從熱學(xué)上考慮，由于模塊是單面散熱，若模塊的電流容量做得過(guò)大，其消耗的功率必將增大，當(dāng)模塊的電流容量達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，需要模塊及散熱器的熱阻非常小，這采用常規(guī)的散熱方法是無(wú)法達(dá)到的；特別是對(duì)于大電流模塊，用于散熱的基板面積很大，要保證模塊基板的整個(gè)平面與散熱器具有良好的接觸單靠模塊的幾個(gè)緊固螺栓是很難達(dá)到的，如若接觸不良或局部接觸不上，模塊與散熱器的接觸熱阻將增加幾倍或幾十倍以上，模塊電流容量將大大下降。所以，某些模塊雖然標(biāo)稱幾千A，而在實(shí)際應(yīng)用中是很難達(dá)到其標(biāo)稱額定電流容量的，因此，模塊并不是電流越大越好。
評(píng)論