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吕聪

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创新逆变器产品的创新细节

可靠性和预期使用寿命是功率电子元件与PCB材料连接技术面临的最根本的挑战。目前，对于芯片额定电流高达200A的功率电子模块而言，大多数模块与PCB之间的连接采用软焊接头。尽管如此，由于焊接是一种耗费时间的工艺，无法满足降低成本和提高制造速度的需要，这推动了各种替代连接技术的发展。英飞凌科技与精密分流器领先制造商伊萨拜棱辉特霍伊斯勒有限公司和位于德国爱尔兰根的西门子公司驱动技术集团合作，开发出了高度可靠的无焊连接技术，利用创新的封装方法和电流检测分流器（允许的最大峰值电流可达150A），实现功率电子模块与PCB板之间的连接。
可靠的连接
除焊接连接技术外，新型安装技术在过去几年中也在逐步发展。另一种同时使用的连接方式是弹簧式连接，这是一种将触点和引脚压入PCB的连接方式。英飞凌已决定在Econo2和Econo3系列产品中采用PressFIT（压接）引脚，并已于近期将这种方法扩展到Easy系列产品。在2009年的PCIM展会上，英飞凌推出了SmartPIM和SmartPACK系列产品，所有产品均采用PressFIT引脚。
在插入PCB过程中，PressFIT引脚会按照预定方式发生形变，与周围材料形成冷焊连接，如图1所示。
冷焊连接是一种低阻、气密连接方式，对危险环境具有很强的抵抗能力。这种连接方式具有抗震动和周期性机械载荷的能力。这些特性使PressFIT成为高电流密度安装以及检测和控制连接的理想技术。西门子关于组件故障率的标准（SN295005-5 2004-06版本）证明了这一点。该标准汇总了各种连接技术的故障率，如表1所示。


            工艺
            		            传热面积（mm²）
            		            故障率
            λref（FIT1）
            		            备注：
            标准/指南
            
            PressFIT
            		            0.3至2
            		            0.005
            		            IEC 60352 – 5
            
            焊接
            手工
            自动
            		            
            –
            		            
            0.5
            0.03
            		            
            IPC 6102)，2级
            
            弹簧式连接
            		            0.5至16
            		            0.5
            		            DIN EN 60999 – 1
            
            
            		            
            
            		            
            		            
            
            1) 1 FIT = 1 x 10-9 1/h à 每109组件工作小时发生一次故障
            2) 印刷电路板验收条件
            标准SN 29500-5/ 2004-06版本：组件故障率
            

     
         
1) 1 FIT = 1 x 10-9 1/h  每109组件工作小时发生一次故障
2) 印刷电路板验收条件
标准SN 29500-5 / 2004-06版本：组件故障率
表1：不同工艺的故障率

上述标准说明，PressFIT的可靠性比焊接连接技术高；与弹簧式连接技术相比，也具有显著改善。
创新的封装技术
英飞凌创造的Smart 模块封装技术，通过单步安装流程就可以自动完成PressFIT（压接），将模块安装到印刷电路板和散热器上，将安装紧固力与结合力分离。这种被称为“双工架构（Duplex Frame）”的结构分为两个部分：内部模块和外框。这种结构可确保螺钉产生的紧固力中，只有预定比例的紧固力被传递到内部模块，从而保护DCB（陶瓷覆铜板），使其免遭损坏。这种结构经过专门设计，以便产生必要的紧固力，通过热脂形成优异的散热接触面（图2）：
除具有耐用性和施加于模块上的紧固力可控制等特点外，这种方式的安装流程也非常简单，仅需一颗螺丝钉，通过单步流程就可将功率模块安装到PCB和散热器上，大大缩短了装配时间，如图3所示：
根据所用PCB的尺寸大小，可以取消模块一侧添加的螺栓垫片。
针对西门子的需要，我们专门设计了一款Smart模块——该模块是MIPAQ™产品家族的一员。该模块采用半桥拓扑结构，利用分流器测量输出电流，并被集成在Sinamics S120驱动系统的制动斩波器中。分流器和PressFIT引脚的详细情况如图4中的剖面图所示。
确定分流器阻值的条件是，在芯片工作于额定电流时，使电压达到150mV。显然，分流器与PCB之间的连接至关重要，因为连接点产生的压降或接触故障将造成测得的瞬间电流值不准确。两根引脚用于传输构成测量电路的分流器产生的信号，另外一组六根引脚则传导最高达150A的负载电流，每根引脚的额定电流为25ARMs。
我们进行了全面测试，确保连接在模块的整个使用寿命期内都能保持最初的质量。鉴于分流器与DCB之间的连接也会影响测量，我们还针对功率和热循环对该特定接点进行了测试，以确定接点的使用寿命。上述测试的结果，构成了分流器DCB布局设计准则的基础。上述测试结果还清楚地表明，在正常应用条件下，材料的循环寿命远远超出了期望值——达到1,000万次以上。

精密电流检测分流器
根据欧姆定律，电阻上的电压与流经电阻的电流成正比。但是，分流器内部会产生固有的损耗。在IGBT模块中安装分流器后，可以比较轻松地通过逆变器的散热器散发这些热量。尽管存在损耗，但与其他方案相比，采用低阻值分流器作为电流传感器仍然具有众多优势：
-    温度范围宽，达到-50°C至150°C以上
-    可以利用原有的成熟工艺流程轻松地进行装配
-    EMI抵抗能力强
-    无磁滞损耗
-    无偏移
-    具有抗击因短路引起的过流的能力
-    尺寸小
-    单芯片解决方案
-    尽管工作温度的范围很宽，但仍具有优异的长期和温度稳定性
-    杰出的功率和热循环稳定性
-    重量极轻，可减少受到震动时的机械应力
为了保证测量的精确性，使其免受温度变化的影响，必须采用特殊合金，确保传感器自身的温度漂移保持在最低水平。作为精密测量器件的领先制造商，伊萨拜棱辉特开发出基于ISAOHM®的分流器。这是一种专利合金，具有无与伦比的温度和长期稳定性。通过与英飞凌合作，伊萨拜棱辉特在BVR产品系列基础上开发了一种新型分流器。这种新型分流器不仅全面满足了模块应用的要求，而且完全适应模块本身的严苛环境。
图5中的测量结果表明，尽管分流器的内部功耗引起了温度波动，但电流与测得电压之间呈现出真正的线性关系：
随着外壳温度的上升，分流器上的热应力也随之上升——但是，结果仍然处于合理范围之内，参见图6。
上述测量证明，即使在最大功率和温度超过200°C的极端条件下，所使用的分流器仍然能给出精确的读数。这种特性使分流器成为功率电子器件传感器的不二之选。在过去几年中，IGBT的工作温度一直在提高，而且根据合理预见，这种趋势还将继续下去。现在，IGBT4的工作温度最高可以达到150°C。推动这种趋势的原因，是市场对更高功率密度的需求。为了满足未来的需要，功率电子器件中采用的传感器技术必须能满足这些严苛的条件。尽管很多技术在过去几年中获得了发展，但是，分流器技术现在仍然是唯一能满身上述全部要求的技术。

结语
新型自动PressFIT技术不仅缩短了装配时间，而且还同时提高了装配的耐用性和连接的可靠性。该技术和“双工架构”概念的配合使用，使功率电子组件的安装变得更轻松，而且可以完全避免出现安装造成的故障。
将电流传感器集成到功率模块中，不仅可以节省宝贵的PCB空间，而且分流器还可以轻松地通过散热器进行散热。利用这种方式，分流器可以比安装在PCB上的传感器测量更大的电流，并避免印刷电路板上出现热斑。除了工作温度高之外，我们所用的传感器还具有极高的精确度。
上述各种特性，再加上单芯片实现方式，造就了成本高效、设计紧凑、高度可靠的逆变器系统。
www.infineon.com/highpower
www.siemens.com
www.isabellenhuette.de


（插图说明）
图1：插入后的PressFIT引脚微型截面图
图2：通过热脂形成优异的散热接触面。玻璃板实验装置
图3：Smart模块的安装
图4：专门设计的Smart模块，配有分流器和自动PressFIT
图5：电压和温度随DUT（被测器件）的直流电流增加而上升，测试条件：分流器，1m，外壳温度为25°C
图6：DUT外壳温度变化引起的测得值变化量，测试条件：分流器，1m，I=100ADC

（作者）
Dr. Martin Schulz是英飞凌科技股份公司IGBT模块技术营销经理。
Reinhold Dillig任职于西门子公司驱动技术集团研发中心标准驱动产品部。
Dr. Ullrich Hetzler是伊萨拜棱辉特霍伊斯勒有限公司研发部门负责人。

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