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改进焊接晶闸管模块结构降低结壳热阻Rjc
作者： 时间：2015-07-20
一、焊接晶闸管模块结构
焊接模块的结构是绝缘型的，必须保证陶瓷基片具有良好的导热性能和绝缘性能。目前常用的氧化铝陶瓷基片按焊接金属层不同分为两种——钼锰瓷片和DBC瓷片，我公司采用的是DBC瓷片（氧化铝陶瓷两面经烧结厚度0.2mm~0.3mm铜箔而成），其结构如图1所示（各层之间均以锡焊）：
改进后的结构，充分利用DBC陶瓷基片的优良性能，使其铜层既作为焊接联结层，又参与导电（电极焊接在DBC的延伸铜层上），结构上减少了两个焊锡层、一层下钼片、一层铜电极，其结构如图2所示（各层之间均以锡焊）：
二、测试结果
由于铜的导热系数高，其热阻值在模块中所占比例极小，故铜电极的热阻可忽略。
下表是模块中几种常用材料的导热系数。
材料
96AI2O3
Mo
Cu
62Sn
导热系数
20W/m℃
138W/m℃
394W/m℃
70W/m℃
1. 外加热条件下测试——校准曲线
校准曲线的测定，必须满足，这是以较小的基准电流不足以影响PN结温度为假设前提。
基准电流的选取，不宜过大，方可忽略基准电流产生的器件功耗。基准电流应尽量选择在100mA/cm2及以下。
2. 热平衡条件下结壳热阻Rjc测试
结壳热阻Rjc的物理意义就是：
Tj是器件通较大电流达到热平衡时，监测热敏电压Vf，然后对照校准曲线而得到的结温。
任何测试都会有系统误差，应尽量减少系统误差对测试结果的影响。为提高结壳热阻Rjc的测试精度，我们应注意以下几点：
1) 壳温采样要准确；
2) 热偶与基板要接触良好，在插入采样孔前，热偶应沾满导热硅脂；
3) 注意热偶的热端导线不应短路；
4) 通过强制风冷以增大结壳温差，可降低温度测量的误差对测试结果的影响比例，会相应地提高测试精度。
下表是改进结构的MTC92-16模块热阻测试数据，基准电流0.8A。
|
1# |
2# |
3# |
|||||||
|
Vf/Tj (IRMS＝85A) |
636mV 125.1℃ |
594mV 125.2℃ |
Vf/Tj (IRMS＝80A) |
617mV 125.4℃ |
602mV 125.8℃ |
Vf/Tj (IRMS＝85A) |
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模块为例，传统结构的单支芯片结壳热阻Rjc为0.32℃/W~0.36℃/W。
结构改进后，经测试，MTC92-16模块的单支芯片平均Rjc=0.24℃/W，明显小于传统结构的结壳热阻。
为验证改进结构模块的可靠性（主要考虑热膨胀对芯片的影响），我们按模块的行业标准JB/T 7826.1进行高低温循环试验。试验条件为：
高温TH＝+125+0-5℃，暴露30min；
低温TL＝-40+5-0℃，暴露30min；
转换时间2min≤t≤3min，循环5次。
试验属D类试验，试验样品3支，试后允许不超过1支样品失效。
合格判定：试后的漏电流不超过试前的2倍，试后的压降不超过试前的1.1倍。
试前试后测试数据 单位：mA、V
|
序号 |
试前 |
试后 |
||||||
|
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 |
试验结论：合格
三、结论
经过近一年的实验，从结构、材料、工艺各方面进行研究，并进行相关的测试和型式试验，确认无下钼片的新型焊接结构，其热学特性优于传统结构的模块，产品各项技术指标合格，工艺稳定，可连续稳定地生产质量合格的焊接晶闸管模块。
我公司现已将焊接晶闸管模块改为新型结构，使晶闸管热学参数进一步优化，大大提高了产品的可靠性。
