|高密度电力电路的热设计挑战

目前,随着科学技术和制造工艺的不断发展,半导体技术的发展日新月异。就电力半导体器件而言,其制造工艺也从平面工艺发展到沟槽工艺,功率密度越来越高。目前,电力半导体组件不仅是IGBT或MOSFET设备类型等单个开关设备,还添加了智能电力模块IPM等混合电力设备类型。IPM模块同时集成了电源设备、驱动器和控制电路IC,使电源半导体组件更加集成。这种混合集成功率半导体器件在封装结构和传统的单功率半导体器件之间存在一定的差异,因此热设计和热传播方式也与传统的功率半导体器件不同,会给用户带来更大的热设计问题。

本文以荣飞的CIPOS NANO IPM模块IMM100系列为例,阐述了荣飞灵创新PQFN封装设备的热传播模型,并对不同杀热条件下的热结果进行了比较分析。提供PQFN封装的热建议和零件钢网设计及逆流焊接温度参考曲线,为用户提供对这些设备的应用参考作用。

PQFN封装热传播模型

CIPOS NANO IPM模块IMM100系列采用IFEILINOVATIGN PQFN封装,将三相逆变电路、驱动电路和控制器MCU集成到一个封装中。包装尺寸为12毫米12毫米,厚度仅为0.9毫米。图1是PQFN封装的IPM模块刨床。如图1所示,三相逆变器MOSFET的泄漏可以通过PQFN封装的针脚直接看到。这种针脚有很小的热阻,可以快速将电力MOSFET产生的热量传递到PCB板铅板铜皮。

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图1。PQFN包IPM计划

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图2。PQFN封装IPM模块的底部图

图2是PQFN封装IPM模块的底部。V、Vs1、Vs2和Vs3是电源MOSFET的主要冷却路径,而V-是IPM集成驱动器和控制芯片的主要冷却路径。

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图3。PQFN封装IPM模块焊接在PCB上的热传播图

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图4。PQFN封装的IPM模块热阻模型

图3显示了PQFN封装IPM模块焊接到PCB板上的热传播图。IPM模块产生的热量的主要传播路径通过PCB板和铜皮革传递,只有很少的热量从IPM模块顶部传递到空气中。这是因为IPM模块的特殊封装结构导致功率MOSFET芯片固定在金属框架上,金属框架底部直接用IPM模块的针脚焊接在PCB的表面垫上。因此,芯片上PCB板垫之间的热阻Rth(j-CB)相对较小。因此,从芯片到IPM顶部是塑料材料,热阻相对较大,因此芯片到外壳的热阻Rth(j-CT)大于Rth(j-CB)。

图4是PQFN封装IPM模块的热阻模型。由于先前分析的IPM模块耗散的热量主要通过PCB板和铜皮革传播,因此热耗散力PD、B对PD、T、热耗散力PD、T对IPM温度上升的影响相对PD而言可以忽略不计。

PD、BPD、T、PD、TX Rth(j-CT)0

因此,根据Rth(j-c)=(Tj-Tc)/PD,

你可以得到TjTC

也就是说,可以大致认为IPM的壳温度与连接温度大致相同。根据这个结论,可以在实际应用中轻松估计出大致的IPM结温,以确定IPM是否在安全的工作区内工作。需要注意的是,根据这个结论估计的结温只是近似值,并不是严格意义上的正确结温。

PQFN封装中4种冷却形式的比较测试与分析

根据PQFN封装的特点和实际应用实例,在实验室使用四种不同的应用场景进行热性能比较测试。第一个应用方案是使用典型的FR-4材料PCB板(1.6毫米厚,双板),IPM模块依赖PCB冷却,没有进一步的冷却措施。二是根据第一个应用场景,将9X9X5mm毫米的小型铝散热器粘贴到IPM模块顶部,以辅助散热。第三个应用场景是使用第一个基础的附加风扇强制风冷。风扇为12 VDC/0.11 A;是。第四个应用场景是铝基板代替FR-4材料PCB板,铝基板厚度为1.6毫米,铜皮革为1oz。图5是四种不同应用场景的物理电路板图。

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图5。四种应用场景的物理电路板图

IMM101T-046M的输出相位电流和壳体温度根据上述四种不同的应用场景在实验室进行了测试。测试时,逆变器负载频率为10kHz,直流总线电压为300V。因此,根据测量的数据,IPM输出相位电流与相对壳体温度的关系曲线如图6所示。

从测试数据可以看出,使用FR4材料的PCB板焊接在安装PQFN封装的IPM模块时,进一步增加顶部散热器或冷却风扇也有助于降低IPM壳温度。虽然上述PQFN封装产生的热量主要从PCB板和铜皮传导,但PQFN封装的IPM模块厚度只有0.9毫米,因此IPM顶部表面硅片之间的塑料材料厚度相对较薄,用冷却风扇降低温度可以降低外壳温度,同时降低IPM模块附近的铜皮肤温度,从而使IPM产生的热量更快地从铅板传递到铜皮,从而进一步降低硅温度。

比较应用场景1和4中的测试数据,可以发现,如果没有额外的冷却措施,在几乎相同的IPM温升条件下使用铝基板时,IPM的输出电流容量将增加约一倍。在某些结构尺寸相对较小的应用程序中,可以提高IPM的应用功率密度。

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图6。IPM输出相位电流与相对壳体温升的关系曲线

图7是在相同的300V DC总线电压和10kHz负载频率下测试的四种应用场景下测试的红外温度图。

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图7。在四种不同的应用场景中测试时的红外温度图

PQFN封装钢丝网设计和回流焊接温度曲线推荐

由于PQFN部件主要依赖于通过PCB和铜壳散热的表针针脚,PQFN的一些主要热针的面积相对较大,相应地PCB板的垫面积也相对较大。这将导致逆流焊接时大面积焊接盘上的孔不可避免,比例较大的孔会增加零件销和垫之间的热阻,从而降低热传导性能。在实际批量焊接中,通常焊接共同率必须低于25%,才能保证热阻性能要求。对PCB焊盘设计采取一些优化措施,可以从设计角度降低焊孔比,提高焊接质量。

措施1是把大焊盘的铁丝网分成小块。

第二个是在分成小块的铁丝网交叉缝隙中放置直径为0.3毫米的洞。

措施3建议使用0.127毫米厚的铁丝网,不建议钢丝网厚度在0.1毫米以下或0.15毫米以上。

图8是大焊板铁网被分成小块的示意图。通过采取上述几项设计改进措施,实际制作PCB,焊接PQFN部件后,通过X射线摄影,焊接空洞率相对较低。实验测试共同率约为15%。图9是推荐的PCB库组件设计图。图10显示了推荐的回流焊接温度曲线。基于这一推荐的焊接温度曲线,将用户使用的焊膏与焊接工艺相结合,可以调整焊接设备参数,从而降低焊接孔率,提高焊接质量。

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图8。把大焊板铁丝网分成小块

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图9。推荐的IMM101T系列设备PCB库组件

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图10。推荐回流焊接温度曲线

摘要

以上测试结果和分析说明表明,这些创新型PQFN封装形式的IPM模块在一定程度上与实际应用程序和通用部件不同。因为使用PCB和铜皮作为主要冷却方式,包装尺寸较小。因此,该PQFN封装IPM模块可应用于小型结构的应用,如吹风机、空调室内机风扇、天花板风扇等。采用额外的冷却措施(如在顶部粘贴散热器或使用冷却风扇)将增加模块的电流输出功能,从而扩大PQFN封装IPM模块的应用功率范围。使用铝基板代替FR-4材料PCB板会使IPM模块的电流输出能力增加约一倍。

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