焊接模块的结构是绝缘型的,必须保证陶瓷基片具有良好的导热性能和绝缘性能。目前常用的氧化铝陶瓷基片按焊接金属层不同分为两种——钼锰瓷片和DBC瓷片,我公司采用的是DBC瓷片(氧化铝陶瓷两面经烧结厚度0.2mm~0.3mm铜箔而成),其结构如图1所示(各层之间均以锡焊):
改进后的结构,充分利用DBC陶瓷基片的优良性能,使其铜层既作为焊接联结层,又参与导电(电**焊接在DBC的延伸铜层上),结构上减少了两个焊锡层、一层下钼片、一层铜电**,其结构如图2所示(各层之间均以锡焊):
由于铜的导热系数高,其热阻值在模块中所占比例**小,故铜电**的热阻可忽略。
下表是模块中几种常用材料的导热系数。
材料 | 96AI2O3 | Mo | Cu | 62Sn |
导热系数 | 20W/m℃ | 138W/m℃ | 394W/m℃ | 70W/m℃ |
1. 外加热条件下测试——校准曲线
校准曲线的测定,必须满足,这是以较小的基准电流不足以影响PN结温度为假设前提。
基准电流的选取,不宜过大,方可忽略基准电流产生的器件功耗。基准电流应尽量选择在100mA/cm2及以下。
2. 热平衡条件下结壳热阻Rjc测试
结壳热阻Rjc的物理意义就是:
Tj是器件通较大电流达到热平衡时,监测热敏电压Vf,然后对照校准曲线而得到的结温。
任何测试都会有系统误差,应尽量减少系统误差对测试结果的影响。为提高结壳热阻Rjc的测试精度,我们应注意以下几点:
1) 壳温采样要准确;
2) 热偶与基板要接触良好,在插入采样孔前,热偶应沾满导热硅脂;
3) 注意热偶的热端导线不应短路;
4) 通过强制风冷以增大结壳温差,可降低温度测量的误差对测试结果的影响比例,会相应地提高测试精度。
下表是改进结构的MTC92-16模块热阻测试数据,基准电流0.8A。
1# | 2# | 3# | |||||||
Vf/Tj (IRMS=85A) | 636mV 125.1℃ | 594mV 125.2℃ | Vf/Tj (IRMS=80A) | 617mV 125.4℃ | 602mV 125.8℃ | Vf/Tj (IRMS=85A) | 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模块为例,传统结构的单支芯片结壳热阻Rjc为0.32℃/W~0.36℃/W。
结构改进后,经测试,MTC92-16模块的单支芯片平均Rjc=0.24℃/W,明显小于传统结构的结壳热阻。
为验证改进结构模块的可靠性(主要考虑热膨胀对芯片的影响),我们按模块的行业标准JB/T 7826.1进行高低温循环试验。试验条件为:
高温TH=+125+0-5℃,暴露30min;
低温TL=-40+5-0℃,暴露30min;
转换时间2min≤t≤3min,循环5次。
试验属D类试验,试验样品3支,试后允许不超过1支样品失效。
合格判定:试后的漏电流不超过试前的2倍,试后的压降不超过试前的1.1倍。
试前试后测试数据 单位:mA、V
序号 | 试前 | 试后 | ||||||
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 |
试验结论:合格
经过近一年的实验,从结构、材料、工艺各方面进行研究,并进行相关的测试和型式试验,确认无下钼片的新型焊接结构,其热学特性优于传统结构的模块,产品各项技术指标合格,工艺稳定,可连续稳定地生产质量合格的焊接晶闸管模块。
我公司现已将焊接晶闸管模块改为新型结构,使晶闸管热学参数进一步优化,大大提高了产品的可靠性。