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              改進焊接晶閘管模塊結構降低結殼熱阻Rjc

              作者: 時間:2015-07-20

              一、焊接晶閘管模塊結構

              焊接模塊的結構是絕緣型的,必須保證陶瓷基片具有良好的導熱性能和絕緣性能。目前常用的氧化鋁陶瓷基片按焊接金屬層不同分為兩種——鉬錳瓷片和DBC瓷片,我公司采用的是DBC瓷片(氧化鋁陶瓷兩面經燒結厚度0.2mm~0.3mm銅箔而成),其結構如圖1所示(各層之間均以錫焊):

               

              改進后的結構,充分利用DBC陶瓷基片的優良性能,使其銅層既作為焊接聯結層,又參與導電(電極焊接在DBC的延伸銅層上),結構上減少了兩個焊錫層、一層下鉬片、一層銅電極,其結構如圖2所示(各層之間均以錫焊):

              二、測試結果

              由于銅的導熱系數高,其熱阻值在模塊中所占比例極小,故銅電極的熱阻可忽略。

              下表是模塊中幾種常用材料的導熱系數。

              材料 96AI2O3 Mo Cu 62Sn
              導熱系數 20W/m℃ 138W/m℃ 394W/m℃ 70W/m℃

              1. 外加熱條件下測試——校準曲線

              校準曲線的測定,必須滿足,這是以較小的基準電流不足以影響PN結溫度為假設前提。

              基準電流的選取,不宜過大,方可忽略基準電流產生的器件功耗?;鶞孰娏鲬M量選擇在100mA/cm2及以下。

              2. 熱平衡條件下結殼熱阻Rjc測試

              結殼熱阻Rjc的物理意義就是:

              Tj是器件通較大電流達到熱平衡時,監測熱敏電壓Vf,然后對照校準曲線而得到的結溫。

              任何測試都會有系統誤差,應盡量減少系統誤差對測試結果的影響。為提高結殼熱阻Rjc的測試精度,我們應注意以下幾點:

              1) 殼溫采樣要準確;

              2) 熱偶與基板要接觸良好,在插入采樣孔前,熱偶應沾滿導熱硅脂;

              3) 注意熱偶的熱端導線不應短路;

              4) 通過強制風冷以增大結殼溫差,可降低溫度測量的誤差對測試結果的影響比例,會相應地提高測試精度。

              下表是改進結構的MTC92-16模塊熱阻測試數據,基準電流0.8A。


              1#

              2#

              3#

              Vf/Tj

              (IRMS85A)

              636mV

              125.1

              594mV

              125.2

              Vf/Tj

              (IRMS80A)

              617mV

              125.4

              602mV

              125.8

              Vf/Tj

              (IRMS85A)

              612mV

              124.1

              597mV

              125.4

              VT/V

              1.42

              1.42

              VT/V

              1.39

              1.41

              VT/V

              1.41

              1.42

              TC/

              109.6

              TC/

              109.7

              TC/

              105.4

              Rjc(/W)

              0.21

              0.22

              Rjc(/W)

              0.23

              0.24

              Rjc(/W)

              0.25

              0.28

              以我公司MTC92-16模塊為例,傳統結構的單支芯片結殼熱阻Rjc0.32/W~0.36/W。

              結構改進后,經測試,MTC92-16模塊的單支芯片平均Rjc=0.24/W,明顯小于傳統結構的結殼熱阻。

              為驗證改進結構模塊的可靠性(主要考慮熱膨脹對芯片的影響),我們按模塊的行業標準JB/T 7826.1進行高低溫循環試驗。試驗條件為:

              高溫TH+125+0-5℃,暴露30min;

              低溫TL-40+5-0℃,暴露30min;

              轉換時間2min≤t≤3min,循環5次。

              試驗屬D類試驗,試驗樣品3支,試后允許不超過1支樣品失效。

              合格判定:試后的漏電流不超過試前的2倍,試后的壓降不超過試前的1.1倍。


              試前試后測試數據                    單位:mA、V

              序號

              試前

              試后

              IDRM/IRRM

              VTM

              IDRM/IRRM

              VTM

              T1

              T2

              T1

              T2

              T1

              T2

              T1

              T2

              1

              7.0/3.2

              8.2/3.4

              1.31

              1.35

              8.9/4.2

              11.1/4.4

              1.35

              1.41

              2

              8.2/6.0

              7.1/3.4

              1.32

              1.34

              8.5/6.3

              7.9/3.7

              1.38

              1.40

              3

              8.0/3.0

              6.5/3.0

              1.32

              1.35

              9.8/3.4

              9.0/4.2

              1.41

              1.41

              試驗結論:合格

              三、結論

              經過近一年的實驗,從結構、材料、工藝各方面進行研究,并進行相關的測試和型式試驗,確認無下鉬片的新型焊接結構,其熱學特性優于傳統結構的模塊,產品各項技術指標合格,工藝穩定,可連續穩定地生產質量合格的焊接晶閘管模塊。

              我公司現已將焊接晶閘管模塊改為新型結構,使晶閘管熱學參數進一步優化,大大提高了產品的可靠性。

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