引言

商业、建筑和农业车辆(CAV)应用竞争激烈不断发展，要求不断提高功率密度并降低成本。使用单管方案可以有效的降低产品成本，同时也要求单管IGBT要承受重载周期中产生的热 量。为了支持这样的要求，功率半导体应具有较低的损耗，并在标准封装中使用尽可能大的 芯片，系统热阻要最低。一个可能的解决方案是将单管安装在水冷散热器上。为了满足绝缘 要求，器件被安装或焊接到DCB上。DCB本身也被固定在水冷散热器上。为了满足较低的系 统损耗和可靠的运行，本文所描述的器件采用了EDT2 IGBT芯片，具有750V的阻断电压，可 用于500V的电池系统。更高的阻断电压为杂散电感产生的关断应力提供了更多的设计裕量。 为了满足CAV的高电流要求，该器件采用了能装入 TO-247PLUS封装的最大的芯片。再加上 短路稳健性和出色的轻载功率损耗，EDT2技术是CAV应用的完美选择。

TO-247PLUS单管封装的回流焊接

TO-247PLUS是一种可以容纳高功率密度解决方案所需的大型芯片的理想封装[1]。为了最大 限度地提高其热性能，需要将芯片到冷却系统的热阻降至最低。一种解决方案是将封装的背 面通过DCB焊接到水冷散热器上。作为一个标准的通孔器件(THD)，一般使用的是波峰焊工 艺。为了承受回流焊工艺，需要对标准TO247封装进行改进。使用共聚焦扫描声学显微镜 (CSAM)对标准的TO-247和改进的TO-247PLUS封装进行评估。满足湿度敏感水平(MSL) 3 存储条件下的产品，在峰值温度245°C及该温度以下进行回流焊接，可以持续30秒。TO247PLUS 封装的改进版是根据标准JEDECJ-STD-020E设计和认证的。图1展示了标准TO247封装的结果。

Fig.1 标准TO-247封装的CSAM

在引脚顶部以及芯片表面可以观察到明显的分层。众所周知，这种分层会在产品的使用寿命 内对导线产生负面影响。此外,芯片垫片上的分层,延伸到封装表面,可能会形成一条通往封装 外部的路径，使芯片暴露在恶劣的环境条件下，如湿度。标准的TO-247封装不建议用于回 流焊焊接。

图2展示了TO-247PLUS封装的改进版在1000次温度循环后的测试结果。芯片顶部、芯片垫 片、引脚顶部或芯片焊接层没有分层。因此,这种封装是回流焊接的理想选择。

图2 满足MSL1存储条件的TO-247PLUS单管经过1000次温度循环后的C-SAM

还进行了进一步的测试,以确定TO-247PLUS封装适用于表面贴装器件的极限。满足MSL1存 储条件的产品，在峰值温度245°C及该温度以下回流焊并持续30s，该封装经历了多达2000 次温度循环。图3和图4显示了CSAM的测试结果。没有发现严重的分层或电气故障。这进一 步验证了TO-247PLUS SMD封装改进版的有效性。

图3 满足MSL1存储条件并在2000次温度循环后的TO-247PLUS SMD芯片顶面的C-SAM

图4 满足MSL1存储条件并在2000次温度循环后的TO-247PLUS SMD管脚顶部的C-SAM

热性能测试

针对电机驱动器的大电流测试，将该器件安装DCB 上，在该应用相关的条件下进行测试用来 评估TO-247PLUS SMD封装的在该应用条件下的热性能。

测试设置和条件

这些评估中使用的测试样品是750V/200A的EDT2 IGBT芯片和200A的EmCon3二极管芯片 封在TO-247PLUS SMD封装中，设计用于主驱系统，特别是CAV应用。EDT2 IGBT针对汽车 应用，使用了微沟槽栅设计，针对10kHz范围内的开关频率进行了优化，降低了导通和开关 损耗。图10是DUT组装DCB并安装在底板上的图形说明。

图10 测试组件。12个单管IGBT通过DCB安装在水冷散热器上

两个单管并联，使用B6拓扑，总共有12个测试样品。所有的DUT都被回流焊接在DCB上，并 安装在水冷散热器基板上。负载是一个永磁电机。热电偶被用来监测IGBT温度、散热器基板 和进水/出水口。该逆变器的母线电压为310V，水温被设定为 27°C。

测试结果

热测试涉及最坏条件下的应用情况。在低开关频率下，变频器各相上的IGBT都会在较长的时 间内导通高峰值电流。如果冷却设计不合适，IGBT/二极管将被加热,可能达到超过芯片的温 度。

堵转工况是电机驱动的极端工况，考验着系统的散热能力和极限性能。下面是堵转测试的结果。

表1 10kHz开关频率下的堵转测试数据

表2 4kHz开关频率下的堵转数据

结论

TO-247PLUS SMD是对CAV这些需要高功率密度和可靠的功率半导体的应用来讲是理想的单 管封装。该封装能够在DCB上进行回流焊接，不会产生分层。这最大限度地减少了从器件芯 片 到 DCB 的 热 阻 。 应 用 测 试 验 证 了 EDT2 IGBT 与 EmCon3 二 极 管 共 同 封 装 在 TO-247PLUS SMD中，满足了CAV应用的要求。与系统短路测试相当的堵转测试，器件可在最大允许的工 作结温内运行。