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引言

　　目前，正在投入使用的功率模塊中有4%是用在汽車應(yīng)用中。未來(lái)幾年，這個(gè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將每年增長(zhǎng)20%，令人印象深刻。應(yīng)用可能性是巨大的，用于混合動(dòng)力和電力驅(qū)動(dòng)的逆變器已經(jīng)可以在貨車、巴士和農(nóng)用車以及汽車和賽車應(yīng)用中見(jiàn)到其蹤影。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域有著不同的需求，所有情況下的主要關(guān)注點(diǎn)是為功率模塊開發(fā)可靠的封裝技術(shù)。如今最普遍的封裝解決方案是有基板和無(wú)基板的焊接模塊，以及最近采用燒結(jié)技術(shù)的無(wú)基板模塊。這些封裝技術(shù)有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這就是為什么使用壽命設(shè)計(jì)要求就混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車應(yīng)用的要求評(píng)估這些技術(shù)。例如在冷卻水循環(huán)下，變化的環(huán)境溫度是被動(dòng)熱循環(huán)的原因。此外，功率半導(dǎo)體中產(chǎn)生的功率損耗產(chǎn)生短暫的（5～20s）t=40℃～60℃的溫升。這里，功率半導(dǎo)體被從70℃的冷卻水溫度加熱到超過(guò)110℃～130℃，之后它們又回落到冷卻水溫度。由于所使用的材料有著不同的熱膨脹系數(shù)，因此每一次的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。這是導(dǎo)致焊接和鍵合連接中材料疲勞的原因，并最終導(dǎo)致組件出現(xiàn)故障。

避免焊接連接

　　在采用壓接技術(shù)的無(wú)基板模塊中，有幾種途徑可用于提高模塊的可靠性。通過(guò)不斷避免焊接連接，焊接疲勞——這一功率模塊的主要故障機(jī)理——是可以完全消除的。這里，芯片和絕緣dbc陶瓷基板上的焊接連接被一個(gè)高度穩(wěn)定的燒結(jié)層所取代，采用壓接技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)電連接。去除基板有許多好處：首先，可以減小模塊與散熱器之間導(dǎo)熱涂層的厚度。導(dǎo)熱涂層是功率模塊中影響總熱阻的主要因素之一，這就是為什么要用盡可能薄的導(dǎo)熱涂層的原因。在有基板模塊中，需要一個(gè)75～150μm的導(dǎo)熱涂層以彌補(bǔ)基板的彎曲。在無(wú)基板模塊中，要主要需要處理的問(wèn)題是如何對(duì)散熱片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度進(jìn)行補(bǔ)償，這就是為什么一個(gè)20～30μm的導(dǎo)熱涂層是足夠的。去除基板意味著去掉了一個(gè)導(dǎo)致熱應(yīng)力的主要因素。

　　焊點(diǎn)的去除消除了焊料疲勞，這一功率模塊中常見(jiàn)的故障機(jī)制。基板的去除也消除了大部分的熱應(yīng)力。40℃/125℃的加速被動(dòng)熱沖擊測(cè)試表明，溫度傳導(dǎo)應(yīng)力被有效地被減少了，可靠性大大增加：在無(wú)基板燒結(jié)模塊情況下，可能的熱沖擊次數(shù)增加了15倍。去除焊接互連和基板的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)在于，有基板模塊中，焊接dbc基板的面積應(yīng)減小到最低限度以減少焊點(diǎn)材料的疲勞；這里，基板的高導(dǎo)熱確保了所需的熱傳播。相比之下，設(shè)計(jì)無(wú)基板模塊時(shí)，dbc基板的面積就可以更大了，如圖1所示。