Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние с разработкой и серийным выпуском изделий силовой полупроводниковой электроники 8
1.1. Классификация приборов силовой электроники 8
1.2. Конструкция и технология изготовления гибридных силовых модулей 15
1.3. Гибридные силовые модули на базе диодов Шоттки 19
1.4. Гибридные силовые модули на базе полевых транзисторов с изолированным затвором 22
Выводы к главе 1 26
ГЛАВА 2. Особенности конструкции гибридных силовых модулей 27
2.1. Силовой модуль на диодах Шоттки типа М2ДШ-100-1.5 27
2.1.1. Кристаллы диодов Шоттки для силового модуля 29
2.1.2. Выбор керамики и топологии токоведущих шин 31
2.1.3. Электрическое соединение анода кристаллов 34
2.1.4. Выбор способа механического соединения компонентов модуля 38
2.1.5. Выбор корпуса силового модуля 41
2.2. Силовой модуль на полевых транзисторах с изолированным затвором типа МПТКП-50-5 49
2.2.1. Кристаллы полевых транзисторов для модуля 51
2.2.2. Внутренняя конструкция модуля 53
Выводы к главе 2 54
ГЛАВА 3. Технологические особенности сборки гибридных силовых модулей 55
3.1. Технологический маршрут сборки модуля типа М2ДШ-100-1.5 55
3.1.1. Операции, контролирующие качество сборки 63
3.1.2. Отбраковочные операции 69
3.2. Испытание модуля М2ДШ-100-1.5 в режиме энергоциклирования 71
3.3. Технологический маршрут сборки модуля типа МПТКП-50-5 78
Выводы к главе 3 86
ГЛАВА 4. Расчет тепловых режимов силовых модулей 87
4.1. Расчет стационарного теплового сопротивления модуля методом эквивалентов 87
4.2. Расчет температуры кристаллов модуля в режиме периодических импульсных нагрузок 99
4.3. Расчет стационарной температуры элементов модуля с применением модели двухслойной пластины при поверхностном нагреве 106
Выводы к главе 4 113
ГЛАВА 5. Экспериментальное определение электрических и тепловых параметров силовых модулей М2ДШ-100-1.5 и МПТКП-50-5 114
5.1. Измерение основных электрических параметров модулей 114
5.2. Измерение стационарного и импульсного тепловых сопротивлений модулей 124
Выводы к главе 5 136
Заключение 137
Список использованных источников 139
Приложение. Свидетельство о регистрации программного средства 147
- Гибридные силовые модули на базе полевых транзисторов с изолированным затвором
- Силовой модуль на полевых транзисторах с изолированным затвором типа МПТКП-50-5
- Испытание модуля М2ДШ-100-1.5 в режиме энергоциклирования
- Расчет стационарной температуры элементов модуля с применением модели двухслойной пластины при поверхностном нагреве
Гибридные силовые модули на базе полевых транзисторов с изолированным затвором
На основе технологии Powertherm разработан и запатентован новый технологический процесс FUSED COPPER. Этот метод сплавления металла с керамикой без промежуточных материалов исключает паяный слой между нижней поверхностью подложки и теплоотводом. Верхняя металлизация в виде площадок под кристаллы и шин соединительных проводников создается из пасты, наносимой через маску и вжигаемой в подложку. Такая технология позволяет получить теплопроводность до 0.2 С/Вт при электрической прочности более 4 кВ.
Отказ от молибденовых или вольфрамовых термокомпенсаторов, поиск новых материалов (например сильнолегированного кремния) и технологий изготовления наблюдается практически у всех фирм-производителей СГИМ: "General Electric", "General Hybrid", "Toshiba", "Power Hybrid Systems", "Power Compact", "Fuji", "Mitsubishi" и др. Подбором толщины медного основания, типа и толщины керамической подложки и металлической пленки удается получить очень низкие тепловые сопротивления (до 0.17 С/Вт) и близкий к кремнию ТКЛР. Известно, что при толщине алюмооксидной керамики 0.6 мм и медной металлизации толщиной 0.3 мм можно получить ТКЛР в месте паяного слоя с кремниевым кристаллом, равный ТКЛР кремния. Для получения таких толстых металлизированных покрытий отработаны и используются методы: оплавления меди на тонкий подслой из вольфрамо-молибденовой пасты, воженную в сырую керамику; напыление с последующим гальваническим наращиванием; высокотемпературной пайки медных аппликаций на активные подслои. Полученные этими методами металлизированные керамические платы имеют термоциклоустойчивость более 100 циклов при изменении температуры от -60 С до +150 С и энергоциклоустойчивости (с напаяным кремниевым кристаллом) более 1000 циклов при изменении температуры кристалла от +25 С до +125 С. Кроме алюмооксидной керамики в сильноточных модулях начинают использовать керамику на основе нитрида алюминия, у которого теплопроводность приближается к теплопроводности бериллиевой керамики (например, теплопроводность алюминий-нитридной керамики марки TAN200 составляет 200 Вт/(м С) по сравнению с 250 Вт/(м С) у бериллиевой). К тому же алюминий-нитридная керамика обладает ТКЛР, равный ТКЛР кремния [5, 11].
Интенсивно развивается технология корпусирования паяной конструкции силовых модулей с применением матричных композиционных материалов (ММС), которые открывают новые перспективы в создании высокомощных, компактных, прочных и надежных модулей. ММС имеют высокую теплопроводность (150Вт/(м С)) и низкий ТКЛР (7 С1), что позволяет снизить до минимума напряженности в конструкции модуля, особенно в кристаллах силовых приборов, обеспечивая хорошую электрическую изоляцию и эффективный отвод тепла. В настоящее время с применением ММС созданы силовые модули мощностью 60 кВт [2, 3].
Фирмы "Fuji", "Toshiba", "Siemens & Eupec" приступили к серийному изготовлению сверхвысоковольтных (3-3.5 кВ) сильноточных (1200 А) модулей на БТИЗ. Причем, если в традиционной конструкции силового модуля это достигается за счет увеличения размеров модуля с массивным медным основанием, DCB-керамикой и напаянными кристаллами БТИЗ и быстровосстанавливающихся диодов, объединенных в трех блоках по 400 А каждый, то японские фирмы предлагают новые конструкции, близкие к таблеточным конструкциям тиристоров и диодов. При прижимных (непаяных) контактах и двустороннем охлаждении через молибденовые термокомпенсаторы эти модули имеют не только высокую термоциклоустойчивость, но и на порядок меньшее тепловое сопротивление кристалл-корпус ( 0.01 С/Вт)
Таким образом, технология изготовления и конструкция силовых модулей будут развиваться с целью дальнейшего повышения надежности, энерго- и термоциклоустойчивости, уменьшения теплового сопротивления и стоимости этих изделий силовой электроники.
Основную долю приборов силовой электроники составляют полностью управляемые приборы, но не одно преобразовательное
-20 устройство не может функционировать без диодов, которые применяются как неуправляемые выпрямители во входных и выходных цепях преобразователей и занимают 35 % от всех приборов [4]. Силовые диоды условно можно разделить на диоды с р-п-переходом и барьером Шоттки (ДШ). ДШ занимают малую область токов и напряжений, на которых работают выпрямители, что подтверждается рис. 1.4. Но они предпочтительны для низковольтных мощных цепей с выходными напряжениями в несколько десятков вольт на высоких частотах переключения. По этой причине ДШ сейчас занимают значительную часть в общем объеме производства выпрямителей (рис. 1.5).
Основные отличительные характеристики ДШ от диодов на р-п-переходе следующие: более низкое прямое падение напряжения Unp; фактическое отсутствие заряда обратного восстановления; более низкое обратное напряжение Uo6p. Отсутствие заряда обратного восстановления означает фактическое отсутствие потерь переключения. Меньшее значение Unp означает малые потери выпрямления, более высокий КПД преобразователя [15].
Если необходимая величина тока превышает максимально допустимый ток одного диода, то применяются силовые модули с параллельным включением нескольких диодов в одном корпусе. Кроме того, параллельное соединение позволяет получить результирующий диод с таким сочетанием статических и динамических параметров, которое трудно или даже невозможно обеспечить в одной сплошной диодной структуре [16, 17]. Применение силового модуля избавляет потребителя от подбора параметров дискретных диодов для их параллельного соединения и позволяет упростить процесс монтажа силовых электротехнических установок. Благодаря тому, что монтажное основание электрически изолировано от диодов, нет необходимости использовать какие-либо дополнительные изолирующие прокладки, обеспечивающие электрическую изоляцию модуля от заземленного теплоотвода. Это позволяет монтировать несколько модулей на общий теплоотвод [18]. Электрическая прочность изоляции между основанием и внешними выводами обычно составляет не менее 2500 В при температуре 25 С. Зарубежные фирмы (например "Semikron") тестируют прочность изоляции на переменном токе частотой 50 Гц и напряжении 3000 В в течение минуты [19, 20].
В табл. 1.1 приведены основные максимально достигнутые параметры модулей на ДШ в корпусе ТО-244АВ фирмы International Rectifier с изолированным и неизолированным теплоотводящим основанием.
Фирма Motorola производит силовые модули на ДШ с неизолированным теплоотводящим основанием, внешний вид которых показан на рис. 1.6, а их электрические параметры приведены в табл. 1.2.
Силовой модуль на полевых транзисторах с изолированным затвором типа МПТКП-50-5
Силовой модуль МПТКП-50-5 (МП- модуль потенциальный, ТКП-полевой транзистор, 50- максимально допустимый постоянный ток стока, А, 5- максимально допустимое напряжение сток-исток (хЮО), В) включает шесть параллельно включенных МОП ПТ, сток которых выведен на медное основание, имеет пластмассовый корпус и предназначен для применения в преобразователях напряжения, пускорегулирующей аппаратуре, источниках питания, инверторах для управления скоростью электродвигателей постоянного и переменного токов и другой силовой электротехнической аппаратуре.
Габаритно-присоединительные размеры модуля показаны на рис. 2.10.
. Кристаллы полевых транзисторов для модуля
В модуле применяются кремниевые эпитаксиально-планарные мощные высоковольтные полевые с изолированным затвором и п-каналом транзисторы. Размеры кристалла МОП ПТ и топология металлизации его планарной стороны показаны на рис. 2.11.
При размере кристалла 7.1x7.1 мм площадь активной его части составляет 6.6x6.6 мм. МОП ПТ образован параллельным включением ячеек с размерами 16x16 мкм. Ячейки имеют форму квадрата со срезанными углами. Затворы ячеек соединяются с контактной площадкой затвора на периферии кристалла. Для уменьшения времени включения/выключения транзистора кристалл имеет пять затворных змеек, которые соединяют затворы центральных ячеек.
На рис. 2.12 показано поперечное сечение кристалла МОП ПТ, а в табл. 2.5 приведены элементы его структуры и материалы, используемые в технологии получения слоев кристалла.
Сечение на рис. 2.10 показывает внутреннюю конструкцию модуля. На медном основании (1) напаяны кристаллы МОП ПТ (8). Истоковые контактные площадки кристаллов соединены алюминиевыми перемычками диаметром 250 мкм с истоковой медной никелированной шиной (7) толщиной 1.2 мм (внешний вид шины соответствует рис. 2.5 а), которая для изоляции от основания напаяна на три половинки керамических таблеток (6) (аналогичны применяемым в модуле М2ДШ-100-1.5). Затворные контактные площадки кристаллов соединены теми же перемычками с текстолитовой металлизированной шиной (9), которая приклеена к основанию. К последней припаяны медные изолированные проволочки, идущие к клеммам управления (4) и (5).
Параллельное включение любых транзисторов (в том числе МОП ПТ) имеет особенности [52]. Так как транзисторы из параллельно включенной группы могут иметь разброс электропараметров, то некоторые из них будут стремиться переключиться раньше других и получить большую порцию тока. Устранение этого явления проводится на двух уровнях: конструкционном (симметричное подключение отдельных приборов в общую цепь) и технологическом (отбор транзисторов по определенным электрическим параметрам).
Под симметричным подключением понимается, прежде всего, создание возможно близких значений паразитных индуктивностей выводов истока каждого транзистора. Различие величин индуктивностей приводит не только к возрастанию потерь при переключении, но и к возникновению нежелательных колебаний [15, 19].
Симметрия подключения достигается применением одинаковой длины перемычек от кристаллов до общей точки их соединения. Подавление колебаний, а с ним уменьшение потерь, достигается разделением цепей управления и силовой цепи на уровне кристалла (на рис. 2.10 видно, что от истоковой площадки каждого кристалла отходят две перемычки: одна предназначена для управления, другая— для силового тока).
Испытание модуля М2ДШ-100-1.5 в режиме энергоциклирования
В реальных условиях эксплуатации полупроводниковые изделия чаще всего работают периодически, т. е. подвергаются внезапной подаче электрического режима, а затем внезапному его выключению. Замечено, что зачастую изделия надежно работают в постоянно включенном режиме, но их надежность падает в зависимости от того, как часто режим включается и выключается. Поэтому в последние годы стал широко использоваться при электротренировке прерывистый режим, т. е. циклическое изменение электрических воздействий "включено-выключено", названный режимом энергоциклирования. Наибольшее распространение и практически впервые режим энергоциклирования получил при изготовлении мощных транзисторов в пластмассовых корпусах [57].
Ввиду конструктивных особенностей силовых полупроводниковых приборов их эксплуатационная надежность во много определяется стойкостью к циклическим изменениям температуры структуры, связанной с работой приборов в преобразователях с повторно кратковременным режимом работы и в различных бесконтактных коммутирующих устройствах. В результате изменения температуры полупроводниковой структуры во времени при приложении и снятии нагрузки за время цикла в конструкции прибора возникают механические напряжения, которые приводят в конечном итоге к виду внезапных отказов, связанных с термическими усталостными изменениями припоев, находящихся между материалами с различными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) [58].
Термической усталостью называют явление разрушения деталей от знакопеременных термомеханических нагрузок, возникающих при теплосменах [59]. Главной причиной усталостного разрушения паяных соединений является многократное возникновение в соединениях термомеханических напряжений, обусловленных разницей ТКЛР материалов и вызывающих при достижении ими предела текучести припоя пластическую деформацию последнего и в конечном счете появление в нем микроразрушений. Появление последних может вызвать перегрев и выход из строя прибора из-за увеличения его теплового сопротивления переход-корпус Rrn-к [58-60].
Цель испытания приборов в режиме энергоциклирования— имитировать тепловое и токовое импульсное воздействие, которое имеет место в практических схемах.
Число циклов до разрушения паяного соединения зависит от ряда параметров, влияние которых трудно выразить в математической форме, поэтому истинную долговечность соединений необходимо определять экспериментальным путем для конкретной конструкции прибора [59].
Паяные швы при эксплуатации полупроводниковых приборов в основном подвергаются воздействию термических напряжений сдвига, которые вызывают появление деформаций сдвига. При повышенных температурах величина деформации сдвига может достигнуть больших значений. Поэтому время выдержки в цикле испытуемого прибора при повышенной температуре существенно влияет на число циклов до разрушения. Увеличение времени выдержки спая при повышенной температуре ведет к росту размаха деформации сдвига, что может снизить долговечность спаев [38, 59].
Основными параметрами испытания в режиме энергоциклирования являются: изменение температуры корпуса (перехода) и максимальная температура перехода в цикле.
Силовой модуль М2ДШ-100-1.5 испытывается в следующем электрическом режиме: пиковый греющий ток— 160 А; скважность—4. Модули нагреваются при выпрямлении синусоидального напряжения частотой 50 Гц. Каждый модуль выборки (всего 8 шт.) установлен на отдельном теплоотводе. По окончании времени нагрева (определяется по достижению заданного значения Тк) снимается электрический режим, а модули обдуваются вентиляторами. Максимальная температура переходов ДШ в конце цикла примерно равна 130 С (вычисляется по известному значению Ятп-к, заданным значениям тока и температуры корпуса). Для испытания разработана схема соединения модулей (рис. 3.13).
. Схема соединения силовых модулей М2ДШ-100-1.5 при испытании в режиме энергоциклирования: Ml ...8- испытуемые модули; Д1, Д2- вспомогательные диоды
На положительном полупериоде синусоидального напряжения работает один диод каждого модуля, на отрицательном— другой.
Испытанию подверглись модули, паянные швы которых выполнены с применением следующих марок свинецсодержащих припоев: ПОС-61 (61% олова); ПОС-40 (40% олова); ПОС-5 (5% олова); ПСр-2.5 (5% олова, 2.5 % серебра). Цель испытания— оценить влияние содержания олова в свинцовых припоях на их прочность и устойчивость к циклам (известно, что прочность свинецсодержащих припоев падает с ростом содержания в них олова (рис. 3.14). Также при испытаниях оценивалась прочность паяного шва кристалл—катодная шина модуля в зависимости от толщины никелевой металлизации катодной стороны кристаллов ДШ. Прочность паяных швов может снижаться из-за растворения никеля в системе Pb-Sn при пайке. Скорость растворения никеля низкая (рис. 2.8), но зависит от способа его нанесения и может быть значительно больше указанной [59]. Кристаллы модулей имели никелевую катодную металлизацию толщиной 0.25 мкм и 0.5 мкм.
Расчет стационарной температуры элементов модуля с применением модели двухслойной пластины при поверхностном нагреве
В общем случае силовой модуль в своей конструкции содержит одну или несколько керамических плат, на которых могут находится как мощные (кристаллы транзисторов и диодов), так и маломощные (драйверы, снабберы, элементы схем защиты) и другие вспомогательные элементы. Так как маломощные элементы могут иметь значительно меньшую максимально допустимую рабочую температуру (например, 75 С по сравнению с 150 С у мощных), то при размещении элементов силового модуля на плате при его проектировании необходима оценка температуры всех элементов, а не только мощных. Зная рассчитанные температуры элементов, можно затем изменить их взаиморасположение и обеспечить условия, при которых максимально допустимая температура любого элемента не будет превышена во всем рабочем диапазоне температур силового модуля. Для оценки теплового режима гибридных интегральных микросхем с учетом взаимного влияния тепловыделяющих элементов применена модель двухслойной пластины при поверхностном нагреве прямоугольным источником тепла [77].
Такую модель можно применить и к силовому модулю, так как по конструктивному оформлению он практически не отличается от гибридных схем. В данной двухслойной модели один слой моделирует керамическую плату, а другой—слой припоя, которым плата крепится к медному основанию. Каждый тепловыделяющий элемент в этой модели представляет собой прямоугольный источник тепла и его температурное поле описывается системой уравнений [78]: где Ті, Т2- избыточные температуры в верхнем и нижнем слоях пластины; х, у, z- координаты; hi, A,i - толщина и коэффициент теплопроводности верхнего слоя пластины; hi, Ъ_ - толщина и коэффициент теплопроводности нижнего слоя пластины; h- общая толщина пластины; 2а, 2Ь - размеры источника тепла; W- поверхностная плотность тепловыделений.
Решение системы уравнений в области максимальных перегревов (z=h) имеет вид: где То - температура основания, Pi - мощность і-го элемента, RTI- внутреннее тепловое сопротивление элемента (кристалла), под которым понимается сумма теплового сопротивления от поверхности перехода до поверхности элемента (кристалла), контактирующего с керамической платой, и теплового сопротивления материала, которым данный элемент присоединен к плате.
На основе вышеизложенного алгоритма расчета перегрева элементов модуля относительно медного основания разработана и написана программа на языке Turbo Pascal 7.0 [80]. Программа содержит следующие функциональные блоки и подпрограммы: подпрограмма вычисления функций теплового поля для однослойной модели, подпрограмма вычисления функций теплового поля для двухслойной модели, блок формирования массива расчетных функций, подпрограмма интерполяции функции по массиву расчетных функций в заданной точке, подпрограмма учета теплового влияния элементов друг на друга (расчет зоны влияния) и основной блок.
В табл. 4.3 приведены результаты расчета стационарной температуры элементов по вышеуказанной программе на примере гибридной интегральной микросхемы (рис. 4.11).
1. С применением метода эквивалентов проведено вычисление стационарного теплового сопротивления переход-корпус силового модуля М2ДШ-100-1.5. Такой расчет необходим для оценки возможности применения той или иной конструкции, а точнее числа необходимых кристаллов, толщины керамики, токоведущих шин, основания.
2. На основе упрощенной модели тепловых нестационарных процессов рассчитаны импульсные тепловые сопротивления до длительностей, равных 20 мс. Определена зависимость максимального неповторяющегося импульсного тока диода модуля М2ДШ-100-1.5 от длительности импульса.
3. Для определения стационарной температуры элементов модуля с большим количеством тепловыделяющих и нетепловыделяющих элементов разработана программа "Расчет температуры элементов гибридных интегральных схем".
