富士電機(jī)開(kāi)發(fā)用于HEV的直接水冷式車載IGBT模塊
富士電機(jī)與日本山梨大學(xué)的研究小組開(kāi)發(fā)出了小型輕量的直接水冷式車載IGBT模塊,并在功率半導(dǎo)體國(guó)際會(huì)議“ISPSD 2013”(2013年5月26~30日在日本石川縣金澤市召開(kāi),日本電氣學(xué)會(huì)主辦)上發(fā)表了該模塊采用的技術(shù)。該模塊的耐壓為1200V,電流為500A,面積為320mm&TImes;170mm。據(jù)介紹,在海外,該模塊已被用于2012年底上市的混合動(dòng)力車(HEV),而在日本,將配備在預(yù)定2013年6月上市的HEV上。
原來(lái)的水冷式IGBT模塊是把IGBT芯片封裝在陶瓷基板上,在該基板下面配置名為“Base Plate”的金屬板,然后在該金屬板下面配置散熱片。而直接水冷式IGBT模塊省去了Base Plate,在散熱片上配置封裝有IGBT芯片的陶瓷基板,用水來(lái)冷卻散熱片。
其他公司也面向車載用途開(kāi)發(fā)了直接水冷式IGBT模塊,但此次開(kāi)發(fā)品的特點(diǎn)在于陶瓷基板使用Al2O3、散熱片使用鋁。競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品大多是陶瓷基板使用Si3N4、散熱片使用銅,或者陶瓷基板使用Al2O3、散熱片使用銅。
此次使用Al2O3的主要目的是降低熱阻,使IGBT模塊實(shí)現(xiàn)小型化。雖然Al2O3的導(dǎo)熱率比Si3N4低,但應(yīng)力承受力強(qiáng),容易減薄,因此可降低熱阻。此外,陶瓷基板采用Al2O3時(shí),還可加粗封裝在基板上的銅布線,可進(jìn)一步降低熱阻。憑借這些手段,與原來(lái)的水冷式相比,這種直接水冷式模塊將熱阻降低了約30%。
散熱片使用鋁主要是為了實(shí)現(xiàn)輕量化。但Al2O3與鋁的熱膨脹系數(shù)相差較大,熱循環(huán)時(shí)受到的應(yīng)力會(huì)增大。因此,此次改進(jìn)了Al2O3和鋁焊接時(shí)的焊錫材料。
該模塊使用錫銻(Sn-Sb)焊錫,研究小組使用成分比例不同的4種(Type1~4)錫銻焊錫,調(diào)查了發(fā)熱循環(huán)時(shí)焊錫出現(xiàn)裂紋的狀態(tài),最終,實(shí)際采用了不易產(chǎn)生裂紋且容易用于制造工序的“Type3”,在-40℃至+105℃溫度范圍下進(jìn)行2000次熱循環(huán)試驗(yàn)也未出現(xiàn)裂痕。