陈子颖@@，英飞凌工业半导体@@
功率半导体@@注@@定要承受大的@@损耗功率@@、高温和温度@@变化@@。提高@@器件和系统的@@功率密度@@@@是功率半导体@@重要的@@设计@@目标@@。我们一路追求单位芯片面积的@@输出电流能力@@，实现方法是@@：
1.减小导通损耗和动态损耗@@
2.减小寄生电感@@，发挥芯片的@@开关速度@@@@
3.提高@@允许的@@最高工作结温@@
4.降低结到壳的@@热阻@@Rthjc
芯片技术@@的@@发展方向是降低导通损耗和动态损耗@@。封装@@的@@发展方向减小寄生电感@@@@，允许芯片快速开关而不震荡@@；提高@@封装@@工艺的@@可靠性@@，提高@@功率周次和温度@@周次@@，就是说提高@@器件结温的@@同时也要保证器件的@@寿命@@，同时要提高@@散热能力@@，降低结到壳的@@热阻@@Rthjc。
在@@式子中可以看出@@，技术@@的@@进步提高@@了@@Tvj，降低了@@Rthjc，这样就允许器件承受更大的@@损耗@@Vce*Ic，也就是说允许芯片上的@@发热量更大@@。
下面做一个有趣的@@对@@比@@，与太阳比功率密度@@@@。
英飞凌出场的@@是明星产品@@：
EconoDUAL™3，FF900R12ME7_B11，
900A 1200V IGBT7。
FF900R12ME7_B11的@@功率密度@@@@
第一种工况@@：
求解@@FF900R12ME7_B11 IGBT模块在@@管壳温度@@@@80度@@下@@，芯片的@@功率密度@@@@@@。把@@上式变形一下@@：
900A 1200V芯片在@@管壳温度@@为@@@@80度@@下@@，允许的@@功耗为@@@@1549瓦@@，如果在@@直流情况下@@，不考虑动态开关损耗@@，Ptot=Vcesat*Ic,由于@@饱和压降典型值在@@@@1.7V，这时@@器件集电极电流@@（没有开关损耗@@）为@@911A左右@@。
由于@@900A IGBT芯片面积大约为@@@@6cm²，得出功率密度@@为@@@@：2.6*10⁶W/m²，这时@@IGBT7的@@芯片功率密度@@比火柴@@火焰高一个数量级@@@@，比电熨斗功率密度@@高@@9个数量级@@！！！
第二种工况短路@@：
把@@IGBT接在@@@@900V直流母线上@@，进行第一类短路实验@@。短路时母线电压是@@900V，在@@8us内@@，短路电流可达@@3200A以上@@，这时@@瞬时功率高达@@P=900V*3200A=2.88MW!!!
同理算出这时@@芯片的@@功率密度@@@@@@高达@@4.8*10⁹ W/m²，这比太阳表面的@@功率密度@@@@@@5.0*10⁷W/m²还高@@2个数量级@@！！！
注@@：
1.一根火柴@@的@@质量约为@@@@0.065g，木材的@@热值约为@@@@1.2×107J/kg，假设火苗截面积@@100mm2，火柴@@15秒烧完@@。
2.人体运动发热取中值@@200W，人体表面积@@按照许文生氏公式@@：体表面积@@（m2）=0.0061×身高@@（cm）+0.0128×体重@@(kg)-0.1529
IGBT的@@温度@@@@
系统设计@@中@@IGBT的@@工作结温普遍高于水的@@沸点@@100℃，设计@@目标是@@150℃，瞬态高达@@175℃。在@@氢燃料电池的@@冷却水泵中@@，驱动器中@@IGBT的@@冷却液温可能是@@95度@@，在@@这样恶劣工作条件下@@，也要满足车辆的@@行驶公里数和使用年限@@，对@@IGBT的@@可靠性和寿命要求很高@@
高功率密度@@的@@挑战@@
由于@@电力电子@@系统设计@@中@@对@@功率半导体@@的@@工作温度@@和功率密度@@要求非常高@@，这对@@于芯片工艺和封装@@工艺设计@@和生产都是很大的@@挑战@@。
焊接层@@
高温和大幅的@@壳温变化@@，会造成模块焊接层@@的@@机械疲劳而分离@@，从而使得结到壳的@@热阻@@Rthjc，增加@@，进而失效@@。
绑定线@@
有了对@@比才知道@@IGBT芯片的@@功率密度@@@@@@如此之高@@，现在@@再来研究一下绑定线@@的@@设计@@规范和电流密度@@@@。
在@@模块的@@数据手册中有一个不太引人注@@目的@@参数@@，模块引线电阻@@，即端子到芯片的@@电阻值@@@@RCC’+EE’，这阻值对@@于小电流模块看起来损耗不算太大@@，但这时@@的@@绑定线@@的@@电流密度@@高达@@254A/mm²，远远高于家庭配电规范中铜线的@@电流密度@@@@6A/mm²。如果按照铝线电流密度@@@@2.5A/mm设计@@900A模块的@@引线就需要@@360mm²，这将是一个截面为@@@@60*60mm的@@铝排@@。
如此高密度@@的@@电流反复流过绑定线@@@@，会造成绑定线@@机械应力@@，使得绑定线@@开裂等机械损伤@@。
绑定线@@一头是连接在@@@@@@IGBT芯片的@@金属化层上@@，这是@@3.2um厚的@@@@AlSiCu材料@@，这连接点也是容易造成机械疲劳的@@薄弱环节@@，大的@@结温变化会造成另一种失效机理是绑定线@@脱落@@。
IGC193T120T8RM 200A 1200V芯片的@@数据手册@@
封装@@的@@效率@@
模块引线电阻@@，即端子到芯片的@@电阻值@@@@RCC’+EE’，会造成的@@损耗@@，对@@于中大功率模块是个不小的@@数值@@。
EconoDUAL™3 FF900R12ME7模块引线电阻@@，端子到芯片的@@电阻值@@0.8mΩ，900A时压降@@0.72V，功耗高达@@648W。
FF900R12ME7电流和引线损耗@@
如果选择@@PrimePACK™封装@@，其最大规格做到了@@2400A半桥@@，这样的@@模块引线电阻@@小很多@@，原因是端子采用铜排结构@@。FF900R12IE4，900A 1200V模块端子到芯片的@@电阻值@@@@0.3mΩ，900A时压降@@0.27V，功耗仅@@243W，只有@@EconoDUAL™3 FF900R12ME7的@@38%。
所以选择器件时@@，需要考虑不同封装@@的@@特性@@，以满足系统需求@@。
结论@@：
由此看来高功率密度@@带来的@@主要问题是造成器件的@@机械疲劳@@，影响器件寿命@@，好在@@这些寿命机理是已知的@@@@，是可以用功率周次和温度@@周次描述@@，器件和系统的@@寿命可以设计@@的@@@@。
为@@了在@@风力发电@@，电动汽车和机车牵引等负载变化大的@@应用领域评估器件在@@系统中的@@寿命@@，这就需要进一步了解器件的@@寿命机制和设计@@方法@@，英飞凌提供寿命仿真的@@收费服务@@。