赛米控--多功能IGBT功率模块，适用于苛刻的工业和汽车应用

最初，SKiM63/93模块平台使用硅IGBT和二极管芯片，采用烧结芯片连接技术使该产品具有出色的功率循环能力。今天，随着顶部触点采用AlCu绑定线连接，可靠性进一步提高，采用最新技术的SKiM63/93现已成为适用于要求苛刻的电源和负载循环应用的成熟解决方案。

SKiM63/93的独特设计基于层压母排结构和直流母线电容与基板之间的多个连接，提供非常低的杂散电感，使SKiM63/93适合使用SiC芯片组的高速开关操作，符合如电动汽车充电站等DC-DC转换器所需。本文概述了芯片组和封装的多功能组合以及由此产生的卓越性能。

图1：模型设计和结构

SKiM63/93模块的图像如图1所示。该模块设计允许用户简单地将驱动印刷电路板组装在SKiM63/93上，并用一组定位良好的螺钉固定IGBT驱动印刷电路板(PCB)。这些螺钉无需使用焊料即可将IGBT驱动器与SKiM63/93相连，它采用的是赛米控的独特成熟的弹簧连接技术。这种无焊组件简化了整个逆变器的设计，即使在现场进行维修和维护，也可以轻松接入驱动器。SKiM93的内部结构如图2所示。显示了低电感叠层母线的结构及其与基板的多个连接。通过使用三个单独的实心母线将电源端子连接到Al2O3陶瓷基板，减少了从端子到功率半导体的静态损耗和杂散电感。

图2：SKiM93的内部结构

热特性

‍在SKiM63/93产品的设计阶段，另一个重要的焦点是热性能。除了内部结构之外，产品还采用了高性能热界面材料，形成了均匀分布的最佳厚度层。此外，选用低电感专用内部母线结构为IGBT和二极管芯片的定位提供了一定的自由度。利用这种灵活性，可以对IGBT和二极管芯片进行定位，使热损耗在整个基板上分布更均匀。这样可以避免局部损耗密度集中在陶瓷基板上而产生的限制热性能的热点。在IGBT和续流二极管芯片中产生的模拟损耗以及由此产生的整个陶瓷衬底上的峰值结温分布减少了热点的产生，同时使得利用廉价散热器来设计功更大率的逆变器系统成为可能。

无铜底板的SKiM63/93的整体设计，在优化的水冷散热器上采用预涂高性能导热硅脂材料，消除了在现成产品中使用基板的额外热阻—可以最大限度的使用芯片的功率，从而提高模块的功率密度。这种优化配置所获得的性能可媲美用于汽车应用的pin-finIGBT模块的性能，但是避免了pin-fin结构中水泄漏的潜在风险，因为pin-fin结构需要将模块与垫圈一起安装到水冷散热器上。

芯片技术

如今，SKiM63/93IGBT模块平台可以兼容多种芯片。电压范围从650伏到1200伏，阻断电压为1700伏。所用的IGBT芯片由领先的芯片供应商生产，在静态损耗和关断损耗之间实现不同的权衡，使用户能够根据具体应用条件来设计模块。产品采用的二极管主要是最先进的赛米控CAL4二极管，在静态损耗和动态损耗方面提供了前所未有的性能。作为产品组合的一部分，碳化硅二极管SKiM是高频开关应用的理想选择。

由于可用芯片和芯片组合的多样性，SKiM模块可以根据给定应用的需求进行定制，在某些应用中提供比标准模块更好的性能。下图比较了使用标准类型硅芯片的模块与基于不同混合碳化硅(HSiC)芯片选择的专用芯片组的性能。文中给出了在相同应用条件下的主要区别。

图3：标准硅IGBT/硅二极管芯片组对比使用SKiM93的相同转换器

图3显示了在fc=20kHz，VDC=600V，cosphi=0.8下运行的转换器（使用基于标准硅IGBT/硅二极管芯片组的SKiM93）与相同转换器（使用在基板上配备硅IGBT和硅二极管的SKiM93）之间的性能比较。

对于更苛刻的应用条件，例如在cos（φ）为-1的条件下运行，SKiM63/93提供了相应的灵活性来优化填充的二极管空间。图4显示了fc=20kHz，VDC=600V条件下运行时的优化结果。

图4：在fc=20kHz，VDC=600V条件下运行时的优化结果

可靠性

热循环效应在基板IGBT模块中经常被提及，尤其是模块本身的基板与陶瓷基板之间连接的老化效应.。随着时间的推移，由于金属基板和陶瓷基板的热膨胀系数相差很大，温度变化所产生的应力将会恶化热连接的质量。这种效应往往是由金属基板与陶瓷基板连接材料引起，主要是焊料。对于像SKiM63/93这样设计时没有基板的模块族来说，这种失效模式已经完全消除了。

此外，赛米控IGBT模块开发的任何可靠性增强技术都可以在SKiM63/93中使用。例如，十多年前赛米控引入了烧结工艺，这个工艺显著地提高芯片背面与基板之间连接的可靠性。对于大多数基于Al2O3衬底的IGBT模块，芯片和基板的连接是模块过早失效的薄弱环节，采用烧结工艺则很好地解决了这个问题。

图5：烧结模块的强度约为焊接模块的六倍

图5显示在80K的温度波动下，烧结的SKiM63/93模块的坚固性是焊接模块的大约六倍。这种可选的烧结技术使得SKiM63/93比工业标准模块对负载循环的鲁棒性更强，使其成为大型伺服电机应用、电梯应用、电动汽车应用以及风力涡轮发电机转换器应用的首选。

相较于普通的铝绑定线，SKiM63/93也可与AlCu键合，可以满足需要更多功率循环高鲁棒性的应用场合。

图6：AlCu焊线的横截面

图6显示了AlCu焊线的横截面，其中内部铜线完全被外部铝护套覆盖。如图7所示，这种铝包铜线以及精心选择的引线焊接工艺参数，在80K的温度波动下，鲁棒性提高了4倍。

图7：最先进的鲁棒性和坚固性

结合这些核心技术，SKiM63/93平台可在要求苛刻的负载条件变化时提供最先进的鲁棒性和坚固性，其性能优于行业标准模块。

产品概述:

SKiM63/93平台可使用多种芯片技术和工艺。图8显示了该平台的标准选项:

图8：该平台的标准选项

附件:

为SKiM63和SKiM93开发的栅极驱动适配器板如图9所示。

图9：为SKiM63和SKiM93开发的栅极驱动适配器板

SKiM63/93外壳概念采用了一个主印刷电路板（PCB），该主印刷电路板拧在支撑塑料圆顶上，提供模块中的接触弹簧系统和驱动器印刷电路板（PCB）之间的电气连接。实际上，主印刷电路板（PCB）将IGBT驱动器固定到位，并为栅极电阻提供安装空间。与SKiM63/93中使用的IGBT所需的栅极驱动性能相匹配，采用了最先进的混合信号ASIC来减少整体组件数量的工业标准SKYPER42 LJ 驱动器，非常适合安全地控制和保护SKiM典型应用中的模块。该SKYPER42 LJ 如图9所示，位于主印刷电路板（PCB）上。