Технологии силовой электроники сегодня и завтра

Хорошо отработанные и применяемые всеми ведущими производителями технологии пайки (чипы, DBC-подложка), ультразвуковой сварки (выводы кристаллов, терминалы модулей) и нанесения теплопроводящей пасты на нынешнем этапе развития силовой электроники можно считать пережитками прошлого. Главной их проблемой является невозможность расширения температурного диапазона и дальнейшего повышения плотности мощности. Лучшей альтернативой устаревшим производственным процессам является метод низкотемпературного спекания (Sintering) [1], широко используемый SEMIKRON в серийном производстве, а также новейшая технология гибких пленок SKiN.

Одним из глобальных направлений современной промышленной стратегии является защита окружающей среды и применение экологически чистых производственных процессов. Использование возобновляемых источников энергии и высокоэффективных конвертеров является непременным условием решения экологических проблем, что повышает значение силовой электроники, отвечающей за преобразование и передачу энергии. Соответственно, перед производителями элементной базы и готовых решений встает задача повышения эффективности и надежности при одновременном улучшении массо-габаритных показателей.

В области транспорта основные усилия SEMIKRON направлены на развитие и совершенствование гибридного и электрического привода, применение которого позволяет сохранить природные ресурсы и играет ключевую роль в борьбе с вредными выбросами. Наиболее важным в контексте развития технологий силовой электроники является повышение плотности мощности, надежности и компактности преобразовательных устройств. Улучшение мощностных показателей требует решения проблемы параллельного соединения кристаллов и силовых ключей, а также обеспечения эффективного отвода тепла.

Упомянутые выше требования в любом случае должны быть выполнены, несмотря на их противоречивость. Они предъявляются не только новыми рынками возобновляемых источников энергии и электротранспорта, но и основным потребителем силовой электроники — сектором частотно-регулируемого привода (ЧРП). Рынок ЧРП огромен как по номенклатуре выпускаемой продукции, так и по энергопотреблению, поэтому повышение эффективности приводных инверторов является главным направлением на пути сбережения энергии.

Надежность и экономическая эффективность

Хорошие массо-габаритные показатели при высокой надежности, а также способность работать в условиях жестких климатических и механических воздействий — вот основные отличия современного транспортного привода. Чтобы удовлетворить этим требованиям, SEMIKRON отошел от традиционных технологий построения силовых полупроводниковых модулей и в начале 90-х годов создал технологию прижимных интеллектуальных систем высокой степени интеграции — SKiiP.

На рис. 1 показана новейшая разработка компании — интеллектуальный модуль привода вильчатого погрузчика [1]. Разработка этого блока является примером удачного решения конфликтных требований по электрическим, механическим и тепловым характеристикам. SKAI 2 является полностью законченной системой, содержащей силовой каскад, схему управления и защиты, специализированный контроллер, систему охлаждения. При минимальных размерах (объем 5,7 литра) модуль обеспечивает требуемые для данного применения мощностные характеристики, его показатели надежности соответствуют последним европейским транспортным стандартам.

Рис. 1. Интеллектуальный модуль привода вильчатого погрузчика SKAI 2: объем 5,7 л, пиковый ток 400 A, напряжение батареи 160 В

Силовой инвертор SKAI 2 выдает ток до 400 А (эффективное значение) при напряжении питания батареи 160 В. Привод может быть смонтирован непосредственно на ведущей оси погрузчика, при этом он способен работать при вибрационных воздействиях до 12 g, ударах с ускорением до 100 g и температуре окружающей среды –40…+85 °C.

Более 20 лет назад SEMIKRON представил специализированный интеллектуальный силовой модуль (IPM), предназначенный для применения в ветроэнергетических установках (ВЭУ). Впервые в мире нем были использованы технология прижима, позволившая отказаться от медной базовой платы, и пружинные сигнальные контакты для подключения драйвера затворов. Кроме силовой секции и платы управления, модули SKiiP имеют в своем составе датчики тока, напряжения, температуры, источник питания и систему охлаждения. Создание подобной системы высокой степени интеграции позволило удовлетворить требования производителей ветротурбин по надежности, плотности мощности, электрическим и тепловым характеристикам. Показательно, что более половины из 122 ГВт установленной мощности ВЭУ (данные 2010 г.) преобразуются системами на основе модулей SKiiP.

В 2011 г. SEMIKRON представил четвертое поколение модулей SKiiP [2], отличающихся повышенной на 30% плотностью мощности и улучшенными тепловыми характеристиками. Этого удалось достичь благодаря использованию нового поколения кристаллов IGBT Trench 4 и диодов CAL 4, а также внедрению технологии низкотемпературного спекания [3], позволившей полностью отказаться от паяных соединений. Для управления силовой секцией применен цифровой драйвер, передача данных в котором производится потоком высокочастотных импульсов по дифференциальному каналу. Драйвер снабжен диагностическим CAN-интерфейсом.

Благодаря цифровому алгоритму управления и применению функции IntelliOff модули 17-го класса могут безопасно эксплуатироваться при напряжении DC-шины до 1300 В. Характеристики силовых ключей SKiiP 4 позволяют им успешно работать в современных оффшорных ветротурбинах, отличающихся наиболее жесткими условиями эксплуатации. В состав семейства входит самый мощный на рынке силовой электроники полумостовой IPM SKiiP 3614 GB17E4 с номинальным током 3600 А. Сборка трехфазного инвертора мощностью 2 МВт на базе этого силового ключа показана на рис. 2.

Рис. 2. Макет инвертора мощностью 2 МВт на базе шестиэлементных модулей четвертого поколения SKiiP 3614GB17E4 (17 класс, номинальный ток 3600 А)

Для обеспечения высоких показателей надежности и в первую очередь минимальной интенсивности отказов, в процессе производства модули SKiiP проходят уникальный тест. Он предусматривает прогон компонентов в составе четырехквадрантной схемы преобразователя ветроэнергетической установки при полной нагрузке, повышенных температуре и напряжении питания. Основной целью испытаний является определение ключевых причин ранних отказов и их устранение. Модули SKiiP подвергаются двум циклам воздействий с предельной нагрузкой при температуре охлаждающей жидкости +80 °C. Нагрев силовых кристаллов при этом достигает +140 °C, что обеспечивает максимальный термомеханический стресс для всей конструкции силового ключа.

Технологии корпусирования

Как было упомянуто выше, стандартные способы корпусирования силовых модулей определяют технологические пределы, расширение которых необходимо для повышения плотности мощности, улучшения тепловых и электрических характеристик.

Паяные соединения

В стандартных модулях с медной базовой платой паяный слой, соединяющий базу с изолирующей DBC-подложкой, является самым проблемным элементом всей конструкции. Разница коэффициентов теплового расширения (КТР) меди и керамики приводит к возникновению термомеханических стрессов при колебаниях температуры модуля из-за изменения внешних условий и собственного тепловыделения. Вследствие термоциклирования происходит накопление усталости в паяном соединении и его постепенное расслоение. Это приводит к увеличению теплового сопротивления, перегреву кристаллов и выходу силового ключа из строя [4]. Вторичными эффектами термоциклирования являются разрушение паяного слоя чипов и отрыв алюминиевых выводов. Еще одна проблема этой технологии — риск «холодной пайки».

Базовая плата

Медная (или композитная) базовая плата является одним из самых тяжелых, габаритных и дорогих узлов силового ключа. Будучи промежуточным элементом между радиатором и DBC-подложкой, она во многом определяет тепловые и механические характеристики модуля. Разница КТР сопрягающихся слоев является причиной так называемого «биметаллического эффекта», приводящего к напряжениям и изгибам базы, ухудшению теплового контакта с радиатором. Даже при идеальной плоскостности поверхности теплостока необходимо применять теплопроводящую пасту, заполняющую воздушные зазоры, которые могут возникать вследствие изгиба базы. Учитывая реальную неоднородность сопрягаемых поверхностей, толщина слоя пасты должна быть не менее 100 мкм. Отметим, что тепловое сопротивление R_th самых лучших теплопроводящих материалов в 400 раз хуже, чем у меди, поэтому их вклад в общее значение R_th(j–a) «чип–окружающая среда» достигает 60%!

Топология соединений кристаллов

В модулях с током 150 А и выше кристаллы соединяются в параллель на DBC-подложке, что позволяет обеспечить требуемые нагрузочные характеристики. Одной из главных проблем параллельного соединения является симметрирование токов в параллельных цепях. В статических режимах выравнивание обеспечивается за счет положительного температурного коэффициента V_CEsat, однако для динамической балансировки требуется идеальная симметрия цепей, что на практике не всегда достижимо. Следствием небаланса является разница импульсных токов чипов, что особенно опасно в режиме предельных токов и КЗ. Именно поэтому в технических характеристиках приводятся данные, относящиеся к самому нагруженному кристаллу. Отметим также, что токонесущие цепи (шины и выводы чипов) имеют распределенную индуктивность, создающую перенапряжение при выключении, поэтому их длина должна быть минимизирована.

Температура кристалла

Развитие IGBT-технологий идет по пути утоньшения кремниевых структур и уменьшения размеров ячеек. Это позволяет снизить не только уровень потерь, но и стоимость ключей за счет сокращения расхода кремния. Более тонкий чип обеспечивает большую плотность тока, за последние годы развитие тонкопленочных технологий позволило повысить этот показатель на 35%. Одновременно шло расширение температурного диапазона кристаллов, для IGBT четвертого поколения максимальная рабочая температура повышена до +175 °С.

Упомянутые выше достижения позволяют делать преобразовательные устройства все более компактными. Однако неизбежной платой за это является увеличение температурного градиента между кристаллами и окружающей средой, что означает более высокий термомеханический стресс для всей конструкции. Существует правило, в соответствии с которым повышение средней температуры на +25 °С снижает надежность силового ключа примерно в пять раз. Тем не менее технологии силовой электроники будут и дальше идти по пути расширения температурного диапазона, поскольку ее будущее связано с внедрением кристаллов SiC и GaN.

Плотность тока

Каждое новое поколение кристаллов IGBT и MOSFET отличается от предыдущего меньшими размерами и более высокой плотностью тока. Возможности алюминиевых проводников, традиционно используемых для соединения выводов чипов с токонесущими шинами, при этом практически исчерпаны. Применение новых припоев, оптимизация формы и методов сварки проводников существенно увеличивают стоимость силовых модулей. Дальнейшее повышение удельных токовых характеристик связано с внедрением инновационных контактных технологий, к которым относится SKiN.

Описанные технологические ограничения стандартных методов корпусирования не связаны друг с другом, поэтому интегральное решение, способное кардинально улучшить конструкцию силовых ключей, является оптимальным.

Технология низкотемпературного спекания, позволившая преодолеть проблемы, связанные с пайкой, уже внедрена в серийное производство SEMIKRON. В модулях новейших поколений она применяется для установки кристаллов на DBC-подложку и для подключения силовых терминалов. Точка плавления спеченного слоя серебряного нанопорошка (+962 °C) и его эластичность намного выше, чем у любого промышленного припоя, поэтому применение процесса спекания позволяет решить проблему надежности модулей с расширенным температурным диапазоном. Это дало возможность компании SEMIKRON выпустить серию специализированных модулей (рис. 1) для применения в электро- и гибридомобилях.

Предельная рабочая температура кристаллов четвертого поколения (+175 °С) составляет всего лишь 18% от точки плавления серебра. Для паяного соединения этот показатель достигает 60% (рис. 3), что является причиной быстрой деградации свойств стандартных модулей, работающих в условиях перегрева.

Рис. 3. Температура плавления спеченного слоя в шесть раз выше рабочей

После устранения паяных соединений в конструкции силовых модулей осталось только одно технологически слабое место — алюминиевые проводники, используемые для подключения активной поверхности чипа к соединительным шинам методом ультразвуковой сварки. Проблема состоит как в их слабой токонесущей способности, так и в разности КТР алюминия, меди и кремния, приводящей к отслоению выводов вследствие термоциклирования. Поиск замены данной технологии продолжался много лет, в качестве одного из возможных решений рассматривалось применение паяных полосковых проводников.

Оптимальное решение предлагает упомянутая выше технология низкотемпературного спекания, предусматривающая соединение поверхности кристаллов с помощью гибкой структурированной пленки, на которую в местах контакта наносится серебряная паста. На пленку напыляются металлизированные шины соответствующей толщины с нагрузочной способностью, намного большей, чем у алюминиевых проводов. Кроме того, при производстве интеллектуальных модулей класса SKiiP, содержащих теплосток, спекаемая нанопаста может быть использована вместо теплопроводящего компаунда в зазоре между радиатором и DBC-платой.

Структура перспективного интеллектуального модуля IGBT показана на рис. 4. Изолирующая DBC-пластина установлена на радиаторе методом спекания, таким же способом к подложке подключены силовые терминалы. Замена теплопроводящей пасты на спекаемый слой дает возможность существенно снизить суммарное значение теплового сопротивления и увеличить плотность мощности более чем на 30%.

Рис. 4. Развитие технологии низкотемпературного спекания для подключения выводов чипов к гибкой SKiN-плате и соединения DBC-подложки с радиатором

Соединение выводов кристаллов производится с помощью одной гибкой SKiN-платы, что позволяет решить проблему отслоения выводов и ограничения токовой нагрузки. Контактная поверхность кремниевых чипов согласована по КТР с материалом SKiN-платы намного лучше, чем с алюминиевыми выводами, поэтому данное соединение имеет высокую стойкость к термоциклированию.

Заключение

Применение SKiN-технологии имеет большой потенциал для дальнейшего развития и совершенствования конструкции силовых модулей. С ее помощью можно производить намного более компактные датчики тока, драйверы управления затворами, а также IPM высокой степени интеграции. Метод низкотемпературного спекания в сочетании со SKiN-технологией позволяет создавать преобразователи, отличающиеся как повышенной надежностью, так и существенно лучшими массо-габаритными показателями. На рис. 5 показан макет перспективного интеллектуального модуля плоской конструкции, SKiN-слой здесь используется для одноуровневого соединения кристаллов и подключения платы управления.

Рис. 5. Макет перспективного модуля IGBT: SKiN-пленка используется для соединения кристаллов и подключения платы управления