【導讀】經典單管TO直插封裝有兩類TO-220和TO-247
，qishinibianqixitongbingliankuoronglinghuo，qijianchengbenyoushimingxian，qiebiaozhunfengzhuangrongyizhaotidaipin，guangfanyingyongyuzhongxiaogonglvfanwei。zaidanguandianquyingyongfanganzhongkeyifugai30kW到180kW功率範圍，最多需要6-8個單管的並聯來實現方案。

用於最新汽車級EDT2芯片的器件參數Vcesat/Vth分布比較集中，器件之間電氣參數差異小，並聯降額比例小，可以有效提升整體輸出能力。相比第三代650V IGBT3電流密度1.6A/mm2，EDT2芯片電流密度可以達到2.8A/mm2
，相(xiang)同(tong)封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)內(nei)單(dan)管(guan)封(feng)裝(zhuang)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)也(ye)在(zai)增(zeng)加(jia)，芯(xin)片(pian)技(ji)術(shu)提(ti)升(sheng)了(le)產(chan)品(pin)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)，但(dan)單(dan)管(guan)傳(chuan)統(tong)散(san)熱(re)方(fang)式(shi)成(cheng)為(wei)提(ti)升(sheng)有(you)效(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)掣(che)肘(zhou)，且(qie)功(gong)率(lv)腳(jiao)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)焊(han)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)母(mu)排(pai)實(shi)現(xian)更(geng)大(da)負(fu)載(zai)載(zai)流(liu)。這(zhe)就(jiu)是(shi)通(tong)常(chang)說(shuo)的(de)“芯片”和“封裝”兩手都要抓，想一下芯片內部結溫奇熱無比達到175°C
，還hai要yao封feng裝zhuang快kuai速su散san熱re來lai多duo幹gan活huo增zeng加jia輸shu出chu出chu力li。尤you其qi當dang汽qi車che加jia速su超chao車che，想xiang感gan受shou一yi下xia加jia速su度du時shi推tui背bei感gan，瞬shun時shi大da扭niu矩ju大da電dian流liu輸shu出chu才cai能neng保bao證zheng，那na隻zhi能neng想xiang辦ban法fa將jiang封feng裝zhuang改gai進jin一yi下xia


，但dan同tong時shi還hai要yao考kao慮lv汽qi車che電dian驅qu長chang期qi可ke靠kao性xing運yun行xing，滿man足zuAQG 相關標準。

單管散熱問題

單管TO-247 PLUS是在傳統TO-247上經過優化內部布局

，以放置更多芯片實現電流密度增加而開發的新封裝
，如圖 1（a）。其內部鍵合綁定線數量達到4根，提升電流能力的同時也增加了產品可靠性，如圖1（b）。

由於新封裝上沒有額外安裝孔，安裝時用夾具可以節省生產時間，且整個熱擴散底板麵積達到190mm2，相比TO-247-3封裝也可以提升26%，熱表征參數熱阻RthjH也ye有you一yi定ding改gai善shan。但dan這zhe種zhong局ju部bu封feng裝zhuang變bian化hua對dui整zheng個ge輸shu出chu電dian流liu增zeng加jia比bi較jiao有you限xian，如ru何he改gai進jin封feng裝zhuang來lai提ti升sheng輸shu出chu能neng力li
？要yao從cong單dan管guan實shi際ji應ying用yong中zhong影ying響xiang散san熱re外wai部bu熱re傳chuan輸shu的de路lu徑jing入ru手shou。

圖1     單管TO-247 PLUS封裝

如圖2（a）是單管散熱時的基本組成部分，由於芯片背麵的集電極collector焊接在引線框架上，通過綁定線與外部功率端子相連，因此從背板到水冷板連接界麵不僅要考慮散熱問題
，以確保低Rth(CH)熱阻，還要保證絕緣能力達到低耦合電容Cσ的需求
，確保電氣長期工作的可靠性，這都使單管的生產安裝相對複雜些
，成本會高些。

圖2 單管散熱路徑和方法

圖2 （b）是典型兩種單管散熱絕緣方法，左邊是直接塗敷即絕緣有導電的複合材料，但其厚度要達到230um
，折彎安裝時易損壞；右邊是常規散熱界麵，采用厚度150um、導熱率1.3W/m*k絕緣薄膜K10來實現，成本比較低。

由於單管背板沿對角線形狀呈現中間低兩頭高的分布，有時需要50um、導熱率2W/m*k的導熱矽脂進行填充確保絕緣薄膜與底板、散熱器之間有良好接觸。更進一步的方法，則是在單管的底板預塗絕緣複合材料

，能滿足低耦合電容，2.5kV/1min 50Hz絕緣要求，這樣不僅能降低35%熱阻RthjH，增加器件輸出功率，降低器件運行結溫
，而且能簡化單管安裝過程


，降低生產成本
，且100%出廠測試。但從複合材料自身導熱率3W/m*K上看，降低熱阻仍然有很大提升空間。從導熱性能上看矽脂
、絕緣膜、絕緣複合材料都不是最優的選擇，都會影響散熱性能發揮
，進而成為單管輸出功率增加的瓶頸。

背板回流焊接

那有沒有即絕緣又保證散熱良好的解決方法呢？英飛淩的TO-247 PLUS封裝像SMD一樣，其背板可以回流焊接在AL2O3 DCB 或 Si3N4 AMB上，同時該陶瓷基板需要再焊接到冷卻板上。圖3所示為典型結構，每層厚度和材料導熱率如表1所示。焊錫材料采用無鉛合金焊材SAC305，含錫量96.5%， 3%銀和0.5%銅，符合RoHS，Reach並符合 IPC J-STD-006 標準，其潤濕性好
，流動性強
，高可焊性和擴展性，其典型液相線溫度為220°C。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong組zu件jian也ye有you通tong過guo導dao熱re矽gui脂zhi或huo相xiang變bian材cai料liao與yu水shui冷leng板ban形xing成cheng導dao熱re界jie麵mian
，此ci時shi需xu要yao夾jia具ju來lai固gu定ding確que保bao很hen好hao接jie觸chu，安an裝zhuang壓ya力li的de不bu同tong會hui引yin起qi熱re阻zu的de差cha異yi。

圖 3  單管組件背板焊接截麵示意圖

下表1是上圖中200A/750V單管橫截麵中每層的物理材料厚度、導熱係數以及熱膨脹係數CTE值，其中陶瓷襯底DCB  AL2O3是標準尺寸。

表1  每層厚度和熱參數特性

陶瓷襯底是這個單管回流焊外部最主要的散熱路徑，除了表中標準AL2O3襯底外，還有其它如高性能ZTA AL2O3，主要性能如熱膨脹係數CTE、導熱參數、楊氏模量

、介電常數基本都變化不大。通過在AL2O3中添加9% -30%氧化鋯ZrO2
，材料抗彎曲度大大提升，大於450Mpa左右。這能有效地減小由於器件安裝時夾具產生應力或焊接中熱膨脹產生的形變熱應力引起絕緣襯底裂紋的風險。另外，傳統DCB通過共晶鍵合法

，銅和陶瓷之間沒有粘結材料，尤其單管SiC在器件高溫、大功率、高散熱、高可靠性上很難滿足需求。而氮化矽Si3N4-AMB作為絕緣襯底是在個不錯的選擇
，抗彎曲度大於700Mpa
，導熱係數是80W/m*k，熱膨脹係數2.5x10-6/k，與Si材料很接近。AMB覆fu銅tong基ji板ban利li用yong活huo性xing元yuan素su可ke以yi潤run濕shi陶tao瓷ci表biao麵mian特te性xing，通tong過guo活huo性xing金jin屬shu釺qian焊han工gong藝yi形xing成cheng粘zhan結jie強qiang度du高gao的de界jie麵mian。因yin此ci
，絕jue緣yuan襯chen底di選xuan擇ze以yi及ji焊han接jie工gong藝yi參can數shu是shi單dan管guan背bei板ban回hui流liu焊han接jie是shi否fou成cheng功gong的de外wai部bu決jue定ding因yin素su，但dan單dan管guan封feng裝zhuang自zi身shen是shi否fou能neng滿man足zu回hui流liu背bei板ban焊han接jie是shi關guan鍵jian的de內nei部bu因yin素su和he基ji礎chu
，二er者zhe在zai應ying用yong層ceng麵mian不bu可ke或huo缺que。

改善熱阻Rth

單dan管guan背bei板ban回hui流liu焊han接jie對dui散san熱re和he絕jue緣yuan處chu理li來lai說shuo都dou是shi一yi個ge很hen好hao的de解jie決jue方fang案an
，可ke以yi把ba影ying響xiang單dan管guan輸shu出chu電dian流liu流liu能neng力li的de兩liang個ge關guan鍵jian問wen題ti克ke服fu。基ji於yu前qian表biao提ti供gong750V/200A EDT2單管各層材料的數據進行理論上熱阻數據的直觀對比，圖4分為5種不同應用情況進行評估
，覆蓋DCB雙麵
、單(dan)麵(mian)焊(han)接(jie)和(he)塗(tu)導(dao)熱(re)矽(gui)脂(zhi)相(xiang)結(jie)合(he)。這(zhe)個(ge)隻(zhi)是(shi)理(li)論(lun)上(shang)評(ping)估(gu)熱(re)阻(zu)差(cha)異(yi)，垂(chui)直(zhi)散(san)熱(re)看(kan)實(shi)際(ji)理(li)論(lun)熱(re)阻(zu)，與(yu)實(shi)際(ji)芯(xin)片(pian)發(fa)熱(re)引(yin)起(qi)熱(re)阻(zu)會(hui)不(bu)同(tong)。考(kao)慮(lv)客(ke)戶(hu)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)焊(han)接(jie)工(gong)藝(yi)時(shi)，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)導(dao)熱(re)矽(gui)脂(zhi)和(he)焊(han)接(jie)配(pei)合(he)的(de)應(ying)用(yong)情(qing)況(kuang)。從(cong)結(jie)果(guo)看(kan)，這(zhe)種(zhong)單(dan)管(guan)背(bei)板(ban)焊(han)接(jie)工(gong)藝(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)熱(re)阻(zu)
，常(chang)用(yong)的(de)DCB AL2O3相比導熱絕緣薄膜K10而言最大達到減少了65%，進一步用導熱性能更好的AMB S3N4陶瓷襯底
，熱阻還可以進一步優化降低。從輸出電流能力和可靠性提升上，這是一個好選擇，但從成本上講不是最優。

圖 4 不同陶瓷襯底和導熱矽脂結合熱阻對比

從單管芯片到外部襯底焊接整個環節RthjH裏麵來看，圖5和6是兩種的熱阻分布情況。從傳統K10分布看其占據熱阻比例達到77%，是整個散熱路徑的主要瓶頸和決定因素
，因此
，進一步印證用單管背板回流焊解決這個環節的必要性。從經典AL2O3 DCB 熱阻分布看
，AL2O3絕緣材料在整個散熱路徑中占比達到54%
，DCB兩麵的焊接層占比達到12%，因此，這也為如何進一步優化背板焊接增強散熱能力提供了方向，改善焊接層工藝
，如Sinter銀燒結工藝，或高性能襯底材料
，如Si3N4襯底，甚至單管芯片直接焊接在DCB上都是提升單管散熱的方向

，尤其使用芯片麵積更小的SiC芯片。

空洞現象

在背板回流焊時界麵空洞率是表征基板質量的重要因數之一，產生基板的空洞率主因有兩個方麵，其一原料表麵有凹凸、劃痕
、有機汙染等質量上的問題
，其二焊接工藝參數影響焊料潤濕性
，不能形成有效焊接可靠的焊接層。

DCB焊han接jie層ceng形xing成cheng的de空kong洞dong不bu僅jin在zai周zhou邊bian有you放fang電dian隱yin患huan影ying響xiang電dian氣qi性xing能neng，還hai會hui影ying響xiang導dao熱re性xing能neng
，這zhe也ye是shi焊han接jie中zhong不bu可ke避bi免mian的de問wen題ti

，同tong時shi也ye是shi背bei板ban焊han接jie好hao壞huai的de關guan鍵jian，尤you其qi電dian驅qu長chang時shi間jian工gong作zuo進jin行xing高gao低di溫wen衝chong擊ji時shi可ke靠kao性xing問wen題ti。圖tu7中(zhong)左(zuo)邊(bian)是(shi)小(xiao)空(kong)洞(dong)聯(lian)合(he)起(qi)來(lai)形(xing)成(cheng)大(da)的(de)空(kong)洞(dong)，右(you)邊(bian)是(shi)分(fen)散(san)分(fen)布(bu)小(xiao)的(de)空(kong)洞(dong)。即(ji)使(shi)二(er)者(zhe)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)空(kong)洞(dong)百(bai)分(fen)比(bi)，但(dan)單(dan)個(ge)深(shen)大(da)空(kong)洞(dong)對(dui)熱(re)阻(zu)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)影(ying)響(xiang)最(zui)為(wei)嚴(yan)重(zhong)，熱(re)集(ji)中(zhong)在(zai)該(gai)點(dian)上(shang)，容(rong)易(yi)出(chu)現(xian)熱(re)失(shi)效(xiao)問(wen)題(ti)[3]。

可以進一步用具體化實例來看這個空洞影響
，假定在單管芯片正下方有個圓形空洞，DCB尺寸20mmx23mm, 如圖8所示初始熱阻Rthja為0.292k/W,  當空洞增加到10%
，熱阻增加了10.3%
；當空洞增加到25%


， 熱阻增加了34.2%。因此
，空洞率和空洞大小成為單管背板回流焊接的關鍵。

回流焊接工藝要求

根據標準J-SDT-020E要求
，非氣密性封裝按照濕氣引起應力的敏感度來分類，以確保他們能正確儲存、安裝和回流焊時不被損壞。表2為無鉛封裝工藝流程的溫度定義。按照EDT2 TO-247 PLUS  3pin的厚度5mm、體積1670mm3
，4pin厚度4.8mm
、體積為1729mm3
，焊接最大允許峰值溫度不超過245°C
，如綠色方框所示。

表2 不同封裝焊接溫度

按照標準中根據封裝含錫鉛和無鉛來分類，目前絕大封裝都是無鉛封裝

，如圖9中紅色方框所示來定義回流焊工藝要求，右圖為圖形化來顯示焊接溫度曲線，主要是要求單管封裝從預熱區域從Tsmin到Tsmax，升溫區從Tl到Tp 
，回流焊接區及最大允許峰值溫度Tp，到冷卻區，在每個溫度的變化區間都有溫度上升斜率和持續時間要求。

圖9  STD標準中回流焊溫度  

對於用戶不要超過最大限製溫度245°C，對於單管器件焊接過程由於焊接溫度波動
、背板平整度、焊料材料合金差異
，其實際短時焊接峰值溫度要大於最大溫度限製，這對單管封裝優化都帶來了挑戰。如圖10為wei不bu同tong溫wen度du情qing況kuang出chu現xian焊han接jie層ceng的de空kong洞dong
，這zhe對dui焊han接jie長chang期qi可ke靠kao性xing會hui帶dai來lai一yi些xie可ke能neng的de風feng險xian，需xu要yao工gong藝yi和he器qi件jian封feng裝zhuang同tong時shi優you化hua來lai提ti升sheng。關guan於yu單dan管guan真zhen空kong回hui流liu焊han接jie工gong藝yi和he空kong洞dong分fen析xi
，建jian議yi進jin一yi步bu與yu原yuan廠chang進jin行xing溝gou通tong，會hui針zhen對dui性xing地di提ti出chu一yi些xie改gai進jin措cuo施shi和he方fang法fa。

圖10 實際焊接空洞

改進單管封裝

是不是現存的TO-247封feng裝zhuang都dou能neng滿man足zu這zhe種zhong回hui流liu焊han的de能neng力li呢ne


？答da案an是shi明ming確que不bu推tui薦jian。主zhu要yao問wen題ti是shi塑su封feng材cai料liao在zai運yun輸shu儲chu存cun過guo程cheng中zhong有you空kong氣qi濕shi氣qi滲shen入ru其qi中zhong

，在zai高gao溫wen回hui流liu焊han中zhong發fa生sheng膨peng脹zhang可ke能neng會hui引yin起qi塑su封feng從cong引yin線xian框kuang架jia上shang出chu現xian分fen層ceng以yi及ji芯xin片pian焊han接jie處chu熔rong化hua問wen題ti，如ru圖tu11。當背板焊接曲線最高熔點溫度越高
，其分層和熔化現象約明顯
，如圖12。所以有時需要通過預加熱方式或采用低溫焊錫膏來解決現存封裝的問題，這都會增加應用成本和係統的長期工作可靠性。

改進封裝TO-247 PLUS經過優化處理解決分層問題，使單管焊接在DCB上可以長期可靠工作。按照IPC/JEDEC J-SDT-020可以滿足MSL1 等級和焊接曲線要求
，包括芯片頂部與塑封材料，引腳/引線頂部以及芯片焊接引線框架部分都沒有出現分層和熔化
，如圖13所示。

圖13  改進封裝後的焊接效果

英飛淩汽車級可回流焊單管有120A、160A
、200Asanzhongdianliuguigeqiegaifengzhuangzaiguigeshuzhongdouyouxiangguanhuiliuhanjienenglidebiaozhuhechengnuo，xiangqingqingcankaoxiangguanguigeshu。kaolvdaodianquyingyongzhongshuilengtiaojianxiadanguandianliuchulinenglihengao，youxiaozhidianliushuipingjihudadaoedingdianliu80%以上，其綁定線和引腳熱應力會比較嚴重
，功率回路需要母排來載流
，單管功率腳也需要電阻焊能力
；同時考慮未來SiC單管要做到9mohm
，電流要到200A以上，TO-247 PLUS-4經過優化增加腳寬度來減少熱應力，同時功率C-E之間Pin腳間距達到7mm，可以滿足高電壓470V應用需求。由於發射極kelvin腳的引入
，損耗降低的優勢進一步顯現，大約12%降低
，建議產品設計考慮該封裝帶來的效率提升。

參考文獻

1. Omar Harmon, Zhao Zhenbo, “Reflow Soldering of TO-247PLUS Discrete Package in Commercial, Construction and Agricultural Vehicle Application,” PCIM Europe 2022.

2. Application Note AIKQ120N75CP2 and AIKQ200N75CP2 -Product description, electrical and thermal specifications.

3. Nan Zhu, "Thermal impact of solder voids in the electronic packaging of power devices," Fifteenth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (Cat. No.99CH36306), 1999, pp. 22-29.

4.    https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/automotive-qualified-igbts/automotive-igbt-discretes/aikq200n75cp2/#!?videoId=8Feq9H7yYV31RU6VDPbh6D

來源：趙振波 徐宇暄  英飛淩

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