НВП ТЕХНОСЕРВИСПРИВОД

К любому электронному устройству, предназначенному для работы в транспортном средстве с гибридным приводом, предъявляется ряд специальных требований. Оно должно быть легким, компактным и в то же время способным работать в условиях жестких климатических и механических воздействий. 
В гибридных автомобилях новейших поколений используется одноконтурная система охлаждения, температура тосола в которой поддерживается на уровне 105?С в номинальном режиме и достигает 120?С в при кратковременных перегрузках. Окружающий воздух в подкапотном пространстве может нагреваться до 125?С, а температура чипов Tj силового модуля способна превысить значение 150?С. В то же время во время зимней стоянки кристаллы могут остывать до температур, близких к точке замерзания охлаждающей жидкости. Работа модулей стандартной конструкции в условиях воздействия термоциклов со столь высоким градиентом неизбежно ведет к сокращению их ресурса [1]. И только специализированные силовые ключи, предназначенные для эксплуатации в составе транспортного привода, могут обеспечить требуемые показатели надежности. 

Массивная базовая плата (как правило, это медная пластина толщиной 3 мм) позволяет увеличить теплоемкость модуля и способствует лучшему распределению тепла, выделяемого кристаллами. Благодаря этому динамический тепловой импеданс стандартных силовых ключей в области постоянных времени 0,1…1 с несколько меньше, чем у «безбазовых» компонентов. 
К медному основанию припаивается одна или несколько керамических DCB подложек с чипами. Кристаллы и силовые терминалы соединяются с керамикой методом пайки – это простейший способ отвода тепла и обеспечения низкого контактного сопротивления. Алюминиевые выводы чипов подключаются к соединительным шинам с помощью ультразвуковой сварки. Модули стандартной конструкции широко используются в различных устройствах, работающих при постоянных или мало меняющихся выходных токах. 
Однако именно паяные соединения являются основным источником отказов силовых ключей в случае, когда нагрузка циклически меняется в широких пределах, что характерно для транспортного привода. Причиной этого является разность коэффициентов теплового расширения (КТР или CTE – Coefficient of Thermal Expansion) сопрягающихся слоев: медного основания, керамической подложки, кремниевых кристаллов, алюминиевых выводов чипов. Периодические колебания температуры и соответствующие изменения линейных размеров элементов конструкции приводят к возникновению термомеханических стрессов, разрушающих структуру паяных и сварных контактных областей. 
Наибольшую площадь имеет соединение базовой платы и керамической DBC подложки, поэтому его повреждение чаще всего приводит к выходу из строя силовых ключей. Вероятность разруше-ния конструкции модуля при воздействии термоциклов растет экспоненциально с увеличением рабочей температуры. Существуют эмпирическое соотношение, в соответствие с которым стойкость к термоциклированию уменьшается вдвое с ростом температуры на 20?С. 
Очевидно, что модули стандартной конструкции (рис. 1а), не предназначены для эксплуатации в условиях, изложенных в таблице 1. Некоторые производители (например, EUPEC/Infineon) ис-пользуют в силовых ключах, ориентированных на транспортные применения, композитные материалы (AlSiC или CuMo), которые гораздо лучше меди согласованы с керамикой по КТР. Однако недостатком композитов является худшая теплопроводность и гораздо более высокая стоимость, что ограничивает их массовое применение. Предполагается, что в будущем базовые платы будут изготавливаться из более дешевых композитных материалов на основе графита. 
Практически полностью решить проблему, связанную с рассогласованием КТР медного осно-вания и керамической подложки, позволяет техно-логия прижимного контакта (pressure-contact tech-nology) SKiiP, разработанная компанией SEMIKRON в начале 90-х годов и применяемая при производстве модулей SKiiP, SKiM, MiniSKiiP, SEMITOP. 
На рисунке 1b показана структура слоев модуля прижимной конструкции: базовая плата, а, следовательно, и паяный соединительный слой большой площади в этом случае отсутствует, керамическая DBC подложка с кристаллами IGBT и диодов установлена непосредственно на теплоотвод. Специальная прижимная рамка создает давление в местах наибольшего локального тепловыделения, обеспечивая равномерный отвод тепла на радиатор. При таком способе соединения воздействие термоциклов приводит к тому, что керамическое основание модуля «плавает» по слою теп-лопроводящей пасты относительно теплоотвода, не испытывая термомеханических напряжений. В одинаковых условиях эксплуатации это по-зволяет примерно на порядок повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию. Ухудшение качества распределения тепла в модулях прижимного типа компенсируется за счет использования более тонкого слоя теплопроводящей пасты. Рекомендуемая толщина слоя для модулей стандартной конструкции составляет 50…100 мкм, а для компонентов прижимного типа, отличающихся более высокой равномерностью и плоскостностью керамического основания, – 20…60 мкм. Естественно, что для обеспечения требуемых тепловых характеристик к качеству обработки по-верхности радиатора в последнем случае предъявляются более высокие требования. 
Следующим по интенсивности отказов является паяное соединение кремниевых чипов с DBC платой. Кремний гораздо лучше согласован с керамикой по КТР, чем медь, однако, как показыва-ют испытания, именно отслоение кристаллов от изолирующей подложки является основной причиной выхода из строя модулей прижимного типа. Решить данную проблему позволяет технология низкотемпературного спекания (low temperature sintering technology) [5], впервые в мире примененная SEMIKRON при производстве интеллектуального модуля привода электромобиля SKAI.