最初，SKiM63/93模塊平臺使用硅IGBT和二極管芯片，采用燒結(jié)芯片連接技術使該產(chǎn)品具有出色的功率循環(huán)能力。今天，隨著頂部觸點采用AlCu綁定線連接，可靠性進一步提高，采用最新技術的SKiM63/93現(xiàn)已成為適用于要求苛刻的電源和負載循環(huán)應用的成熟解決方案。

SKiM63/93的獨特設計基于層壓母排結(jié)構(gòu)和直流母線電容與基板之間的多個連接，提供非常低的雜散電感，使SKiM63/93適合使用SiC芯片組的高速開關操作，符合如電動汽車充電站等DC-DC轉(zhuǎn)換器所需。本文概述了芯片組和封裝的多功能組合以及由此產(chǎn)生的卓越性能。

圖1：模型設計和結(jié)構(gòu)

SKiM63/93模塊的圖像如圖1所示。該模塊設計允許用戶簡單地將驅(qū)動印刷電路板組裝在SKiM63/93上，并用一組定位良好的螺釘固定IGBT驅(qū)動印刷電路板(PCB)。這些螺釘無需使用焊料即可將IGBT驅(qū)動器與SKiM63/93相連，它采用的是賽米控的獨特成熟的彈簧連接技術。這種無焊組件簡化了整個逆變器的設計，即使在現(xiàn)場進行維修和維護，也可以輕松接入驅(qū)動器。SKiM93的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。顯示了低電感疊層母線的結(jié)構(gòu)及其與基板的多個連接。通過使用三個單獨的實心母線將電源端子連接到Al2O3陶瓷基板，減少了從端子到功率半導體的靜態(tài)損耗和雜散電感。

圖2：SKiM93的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

熱特性

‍在SKiM63/93產(chǎn)品的設計階段，另一個重要的焦點是熱性能。除了內(nèi)部結(jié)構(gòu)之外，產(chǎn)品還采用了高性能熱界面材料，形成了均勻分布的最佳厚度層。此外，選用低電感專用內(nèi)部母線結(jié)構(gòu)為IGBT和二極管芯片的定位提供了一定的自由度。利用這種靈活性，可以對IGBT和二極管芯片進行定位，使熱損耗在整個基板上分布更均勻。這樣可以避免局部損耗密度集中在陶瓷基板上而產(chǎn)生的限制熱性能的熱點。在IGBT和續(xù)流二極管芯片中產(chǎn)生的模擬損耗以及由此產(chǎn)生的整個陶瓷襯底上的峰值結(jié)溫分布減少了熱點的產(chǎn)生，同時使得利用廉價散熱器來設計功更大率的逆變器系統(tǒng)成為可能。

無銅底板的SKiM63/93的整體設計，在優(yōu)化的水冷散熱器上采用預涂高性能導熱硅脂材料，消除了在現(xiàn)成產(chǎn)品中使用基板的額外熱阻—可以最大限度的使用芯片的功率，從而提高模塊的功率密度。這種優(yōu)化配置所獲得的性能可媲美用于汽車應用的pin-finIGBT模塊的性能，但是避免了pin-fin結(jié)構(gòu)中水泄漏的潛在風險，因為pin-fin結(jié)構(gòu)需要將模塊與墊圈一起安裝到水冷散熱器上。

芯片技術

如今，SKiM63/93IGBT模塊平臺可以兼容多種芯片。電壓范圍從650伏到1200伏，阻斷電壓為1700伏。所用的IGBT芯片由領先的芯片供應商生產(chǎn)，在靜態(tài)損耗和關斷損耗之間實現(xiàn)不同的權衡，使用戶能夠根據(jù)具體應用條件來設計模塊。產(chǎn)品采用的二極管主要是最先進的賽米控CAL4二極管，在靜態(tài)損耗和動態(tài)損耗方面提供了前所未有的性能。作為產(chǎn)品組合的一部分，碳化硅二極管SKiM是高頻開關應用的理想選擇。

由于可用芯片和芯片組合的多樣性，SKiM模塊可以根據(jù)給定應用的需求進行定制，在某些應用中提供比標準模塊更好的性能。下圖比較了使用標準類型硅芯片的模塊與基于不同混合碳化硅(HSiC)芯片選擇的專用芯片組的性能。文中給出了在相同應用條件下的主要區(qū)別。

圖3：標準硅IGBT/硅二極管芯片組對比使用SKiM93的相同轉(zhuǎn)換器

圖3顯示了在fc=20kHz，VDC=600V，cosphi=0.8下運行的轉(zhuǎn)換器（使用基于標準硅IGBT/硅二極管芯片組的SKiM93）與相同轉(zhuǎn)換器（使用在基板上配備硅IGBT和硅二極管的SKiM93）之間的性能比較。

對于更苛刻的應用條件，例如在cos（φ）為-1的條件下運行，SKiM63/93提供了相應的靈活性來優(yōu)化填充的二極管空間。圖4顯示了fc=20kHz，VDC=600V條件下運行時的優(yōu)化結(jié)果。

圖4：在fc=20kHz，VDC=600V條件下運行時的優(yōu)化結(jié)果

可靠性

熱循環(huán)效應在基板IGBT模塊中經(jīng)常被提及，尤其是模塊本身的基板與陶瓷基板之間連接的老化效應.。隨著時間的推移，由于金屬基板和陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)相差很大，溫度變化所產(chǎn)生的應力將會惡化熱連接的質(zhì)量。這種效應往往是由金屬基板與陶瓷基板連接材料引起，主要是焊料。對于像SKiM63/93這樣設計時沒有基板的模塊族來說，這種失效模式已經(jīng)完全消除了。

此外，賽米控IGBT模塊開發(fā)的任何可靠性增強技術都可以在SKiM63/93中使用。例如，十多年前賽米控引入了燒結(jié)工藝，這個工藝顯著地提高芯片背面與基板之間連接的可靠性。對于大多數(shù)基于Al2O3襯底的IGBT模塊，芯片和基板的連接是模塊過早失效的薄弱環(huán)節(jié)，采用燒結(jié)工藝則很好地解決了這個問題。

圖5：燒結(jié)模塊的強度約為焊接模塊的六倍

圖5顯示在80K的溫度波動下，燒結(jié)的SKiM63/93模塊的堅固性是焊接模塊的大約六倍。這種可選的燒結(jié)技術使得SKiM63/93比工業(yè)標準模塊對負載循環(huán)的魯棒性更強，使其成為大型伺服電機應用、電梯應用、電動汽車應用以及風力渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)換器應用的首選。

相較于普通的鋁綁定線，SKiM63/93也可與AlCu鍵合，可以滿足需要更多功率循環(huán)高魯棒性的應用場合。

圖6：AlCu焊線的橫截面

圖6顯示了AlCu焊線的橫截面，其中內(nèi)部銅線完全被外部鋁護套覆蓋。如圖7所示，這種鋁包銅線以及精心選擇的引線焊接工藝參數(shù)，在80K的溫度波動下，魯棒性提高了4倍。

圖7：最先進的魯棒性和堅固性

結(jié)合這些核心技術，SKiM63/93平臺可在要求苛刻的負載條件變化時提供最先進的魯棒性和堅固性，其性能優(yōu)于行業(yè)標準模塊。

產(chǎn)品概述:

SKiM63/93平臺可使用多種芯片技術和工藝。圖8顯示了該平臺的標準選項:

圖8：該平臺的標準選項

附件:

為SKiM63和SKiM93開發(fā)的柵極驅(qū)動適配器板如圖9所示。

圖9：為SKiM63和SKiM93開發(fā)的柵極驅(qū)動適配器板

SKiM63/93外殼概念采用了一個主印刷電路板（PCB），該主印刷電路板擰在支撐塑料圓頂上，提供模塊中的接觸彈簧系統(tǒng)和驅(qū)動器印刷電路板（PCB）之間的電氣連接。實際上，主印刷電路板（PCB）將IGBT驅(qū)動器固定到位，并為柵極電阻提供安裝空間。與SKiM63/93中使用的IGBT所需的柵極驅(qū)動性能相匹配，采用了最先進的混合信號ASIC來減少整體組件數(shù)量的工業(yè)標準SKYPER42 LJ 驅(qū)動器，非常適合安全地控制和保護SKiM典型應用中的模塊。該SKYPER42 LJ 如圖9所示，位于主印刷電路板（PCB）上。