Конструктивные особенности модулей IGBT. Силовая электроника

Опубликовано 27.01.2011 Ведущий Валерий Харыбин

Практически все типы промышленного оборудования, мощностью почти до единиц мегаватт, разрабатываются с использованием силовых модулей. Модули широко используются в технологическом и тяговом приводе, вторичных источниках питания, в энергетике и машиностроении. Силовые модули функционируют при условии, когда имеется эффективный отвод тепла от корпуса модуля. Основным фактором обеспечения максимальной производительности этих приборов является передача тепла от поверхности воздуху, характеризуемая тепловым сопротивлением. Выпускаемые силовые ключи можно условно разделить по принципиальному конструктивному признаку: наличию или отсутствию базовой платы. Медное основание стандартных модулей является несущим элементом конструкции, с помощью которого производится его крепление к радиатору. В «безбазовых» конструкциях керамическая изолирующая подложка устанавливается непосредственно на теплоотвод. Массивная базовая плата способствует лучшему распределению тепла, выделяемого кристаллами. К медному основанию припаивается одна или несколько керамических подложек с чипами. Кристаллы и силовые терминалы соединяются с керамикой методом пайки. Это простой способ отвода тепла и обеспечения низкого контактного сопротивления. Алюминиевые выводы чипов подключаются к соединительным шинам с помощью ультразвуковой сварки. Однако именно паяные соединения являются отказом силовых ключей, в случае высоких перегрузок. Именно высокие рабочие температуры приводят к разрушению спаянного соединения керамики с базовой платы, а так же структуры сварных областей.
Практически полностью решить проблему, связанную с рассогласованием медного основания и керамической подложки, позволяет технология прижимного контакта. Структура модуля прижимной конструкции отображает отсутствие паяного соединительного слоя, керамическая подложка с кристаллами IGBT и диодов установлена непосредственно на теплоотвод. Специальная прижимная рамка создает давление в местах наибольшего тепловыделения, обеспечивая равномерный теплоотвод на радиатор. Такой способ соединения обеспечивает равномерный плавающий режим керамического основания модуля по слою теплопроводящей пасты относительно теплоотвода, не испытывая термомеханических напряжений. Большинство случаев в отказе модулей является паяное соединение кремниевых чипов с платой. Кремний гораздо лучше согласован с керамикой, чем медь, и как показала практика, именно отслоение кристаллов от изолирующей подложки является основной причиной выходом из строя модулей прижимного типа. Решить эту проблему позволила технология низкотемпературного спекания. Тепловое сопротивление контактного слоя, состоящего из спеченного серебряного нанопорошка, гораздо ниже, чем у спаянного соединения. Такой материал позволяет получить хорошую стойкость к термоциклированию и увеличить срок службы силовых модулей. Благодаря уникальным свойствам, паста из наночастиц серебра может с успехом заменить традиционные мягкие и жесткие припои, она имеет лучшую электро - и теплопроводимость, что делает данную технологию пригодной для всех типов кристаллов, керамик и монтажа чипов.