功率半導體冷知識：功率器件的功率密度

陳子穎，英飛凌工業半導體

功率半導體注定要承受大的損耗功率、高溫和溫度變化。提高器件和系統的功率密度是功率半導體重要的設計目標。我們一路追求單位芯片面積的輸出電流能力，實現方法是：

1.減小導通損耗和動態損耗

2.減小寄生電感，發揮芯片的開關速度

3.提高允許的最高工作結溫

4.降低結到殼的熱阻Rthjc

芯片技術的發展方向是降低導通損耗和動態損耗。封裝的發展方向減小寄生電感，允許芯片快速開關而不震蕩；提高封裝工藝的可靠性，提高功率周次和溫度周次，就是說提高器件結溫的同時也要保證器件的壽命，同時要提高散熱能力，降低結到殼的熱阻Rthjc。

在式子中可以看出，技術的進步提高了Tvj，降低了Rthjc，這樣就允許器件承受更大的損耗Vce*Ic，也就是說允許芯片上的發熱量更大。

下面做一個有趣的對比，與太陽比功率密度。

英飛凌出場的是明星產品：

EconoDUAL?3，FF900R12ME7_B11，

900A 1200V IGBT7。

FF900R12ME7_B11的功率密度

第一種工況：

求解FF900R12ME7_B11 IGBT模塊在管殼溫度80度下，芯片的功率密度。把上式變形一下：

900A 1200V芯片在管殼溫度為80度下，允許的功耗為1549瓦，如果在直流情況下，不考慮動態開關損耗，Ptot=Vcesat*Ic,由于飽和壓降典型值在1.7V，這時器件集電極電流（沒有開關損耗）為911A左右。

由于900A IGBT芯片面積大約為6cm2，得出功率密度為：2.6*10?W/m2，這時IGBT7的芯片功率密度比火柴火焰高一個數量級，比電熨斗功率密度高9個數量級?。?！

第二種工況短路：

把IGBT接在900V直流母線上，進行第一類短路實驗。短路時母線電壓是900V，在8us內，短路電流可達3200A以上，這時瞬時功率高達P=900V*3200A=2.88MW!!!

同理算出這時芯片的功率密度高達4.8*10? W/m2，這比太陽表面的功率密度5.0*10?W/m2還高2個數量級?。?！

注：

1.一根火柴的質量約為0.065g，木材的熱值約為1.2×107J/kg，假設火苗截面積100mm2，火柴15秒燒完。

2.人體運動發熱取中值200W，人體表面積按照許文生氏公式：體表面積（m2）=0.0061×身高（cm）+0.0128×體重(kg)-0.1529

IGBT的溫度

系統設計中IGBT的工作結溫普遍高于水的沸點100℃，設計目標是150℃，瞬態高達175℃。在氫燃料電池的冷卻水泵中，驅動器中IGBT的冷卻液溫可能是95度，在這樣惡劣工作條件下，也要滿足車輛的行駛公里數和使用年限，對IGBT的可靠性和壽命要求很高

高功率密度的挑戰

由于電力電子系統設計中對功率半導體的工作溫度和功率密度要求非常高，這對于芯片工藝和封裝工藝設計和生產都是很大的挑戰。

焊接層

高溫和大幅的殼溫變化，會造成模塊焊接層的機械疲勞而分離，從而使得結到殼的熱阻Rthjc，增加，進而失效。

綁定線

有了對比才知道IGBT芯片的功率密度如此之高，現在再來研究一下綁定線的設計規范和電流密度。

在模塊的數據手冊中有一個不太引人注目的參數，模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值RCC’+EE’，這阻值對于小電流模塊看起來損耗不算太大，但這時的綁定線的電流密度高達254A/mm2，遠遠高于家庭配電規范中銅線的電流密度6A/mm2。如果按照鋁線電流密度2.5A/mm設計900A模塊的引線就需要360mm2，這將是一個截面為60*60mm的鋁排。

如此高密度的電流反復流過綁定線，會造成綁定線機械應力，使得綁定線開裂等機械損傷。

綁定線一頭是連接在IGBT芯片的金屬化層上，這是3.2um厚的AlSiCu材料，這連接點也是容易造成機械疲勞的薄弱環節，大的結溫變化會造成另一種失效機理是綁定線脫落。

IGC193T120T8RM 200A 1200V芯片的數據手冊

封裝的效率

模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值RCC’+EE’，會造成的損耗，對于中大功率模塊是個不小的數值。

EconoDUAL?3 FF900R12ME7模塊引線電阻，端子到芯片的電阻值0.8mΩ，900A時壓降0.72V，功耗高達648W。

FF900R12ME7電流和引線損耗

如果選擇PrimePACK?封裝，其最大規格做到了2400A半橋，這樣的模塊引線電阻小很多，原因是端子采用銅排結構。FF900R12IE4，900A 1200V模塊端子到芯片的電阻值0.3mΩ，900A時壓降0.27V，功耗僅243W，只有EconoDUAL?3 FF900R12ME7的38%。

所以選擇器件時，需要考慮不同封裝的特性，以滿足系統需求。

結論：

由此看來高功率密度帶來的主要問題是造成器件的機械疲勞，影響器件壽命，好在這些壽命機理是已知的，是可以用功率周次和溫度周次描述，器件和系統的壽命可以設計的。

為了在風力發電，電動汽車和機車牽引等負載變化大的應用領域評估器件在系統中的壽命，這就需要進一步了解器件的壽命機制和設計方法，英飛凌提供壽命仿真的收費服務。

審核編輯 黃宇