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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(氧化鋁陶瓷兩麵經燒結厚度0.2mm~0.3mm銅箔而成),其結構如圖1所示(各層之間均以錫焊):

 

改進後的結構,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

由於銅的導熱係數高,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係數。

材料 96AI2O3 Mo Cu 62Sn
導熱係數 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。基準電流應盡量選擇在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,然後對照校準曲線而得到的結溫。

任何測試都會有係統誤差,應盡量減少係統誤差對測試結果的影響。為提高結殼熱阻Rjc的測試精度,AG平台應注意以下幾點:

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,熱偶應沾滿導熱矽脂;

3) 注意熱偶的熱端導線不應短路;

4) 通過強製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

結構改進後,經測試,MTC92-16模塊的單支芯片平均Rjc=0.24/W,明顯小於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)AG平台按模塊的行業標準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,試後允許不超過1支樣品失效。

合格判定:試後的漏電流不超過試前的2倍,試後的壓降不超過試前的1.1倍。


試前試後測試數據                    單位:mAV

序號

試前

試後

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、工藝各方麵進行研究,並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,其熱學特性優於傳統結構的模塊,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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