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先进隔离分立封装使SiC MOSFET芯片温度降低60°C

由 judy 提交于

作者：Sachin Shridhar Paradkar，Francois Perraud，Littelfuse德国产品营销部 

传统分立式SiC MOSFET与散热器的隔离依赖于外部导热电绝缘材料。这不仅增加了结对散热片的热阻，还使热管理复杂化，并在自动和手动装配过程中造成障碍。此外，导热性差还会降低功率和电流处理能力，大大限制了碳化硅芯片的最佳利用率。Littelfuse的ISO247封装采用高性能氮化硅 (Si3N4) 陶瓷，可应对这些挑战，提高SiC芯片的利用率，增强基于SiC MOSFET的应用。

ISO247-基于高性能陶瓷的分立隔离封装

ISO247属于ISOPLUS™系列内部隔离分立功率半导体器件封装。ISOPLUS™系列采用氧化铝 (Al2O3) 陶瓷直接接合铜 (DBC) 基板，由 IXYS Semiconductor（现为Littelfuse的一部分）于2003年首创。ISO247遵循JEDEC TO-247AD纲要，确保引脚与标准TO-247封装兼容。ISO247采用先进的高性能氮化硅陶瓷（详见参考文献 [1]），专为满足基于SiC MOSFET应用的苛刻要求而定制，与标准TO-247相比具有以下主要优势：
  • 基于高性能陶瓷的活性金属钎焊（AMB）基板具有固有的隔离性能、更高的热导率和更低的热阻（结到散热器）[1]；
  • 隔离电压额定值为2.5千伏交流1分钟或3千伏交流1秒；
  • 由于碳化硅芯片和AMB基底面的热膨胀系数（CTE）相匹配，因此具有更高的温度和秒级功率循环（PCsec）承受能力[1]；
  • 提高功率密度，简化热管理；
  • 芯片到散热器的杂散电容小，从而降低了EMI。

尽管ISO247和TO247封装具有相同的外部尺寸和引脚配置，但如图1所示，它们的内部结构和安装方法却有明显区别。TO-247器件在安装到散热器时需要外部隔离，而ISO247器件在安装到散热器时只使用热界面材料[2]。注：热界面材料不提供电气隔离，其作用只是提高导热性。
图1 TO-247与ISO247封装的内部结构和安装差异.png

图1 TO-247与ISO247封装的内部结构和安装差异

基于ISO247和TO247的SiC MOSFET热性能比较

标准TO-247封装有一个导电安装片，通常位于漏极电位。出于安全考虑和在同一散热器框架上安装多个分立器件的愿望，通常希望将器件导电安装片与散热器电气隔离。为此，在半导体封装和散热器之间使用外部导热电隔离箔已成为业内广泛采用的方法。然而，采用外部隔离会带来明显的缺点。热阻增加、功率和电流处理能力降低、热管理复杂、组装工作量大，这些都是外部隔离策略直接或间接造成的后果。特别是在使用碳化硅MOSFET等宽带隙 (WBG) 半导体的情况下，尤其是功率处理能力下降等不利因素的问题。

为了评估先进的ISO247封装的性能优势，我们使用一个1200 V、25 mΩ SiC MOSFET芯片进行了热测量，该芯片采用的各种封装和热接口配置如表1所示。热测量采用冷却曲线法，符合IEC 60747-8 [3]，测量设置详见参考文献 [4，5]。

表1  用于比较SiC MOSFET热性能的ISO247和TO-247器件

表1 用于比较SiC MOSFET热性能的ISO247和TO-247器件.JPG利用ISO247提高应用输出功率并降低系统级成本

为了证明ISO247在应用输出功率方面的改进，我们对不同的封装进行了热测量，其电流IH导致芯片温度Tvj达到130°C，所有封装都包含相同的25 mΩ SiC MOSFET芯片。之所以选择130°C的结温Tvj，是因为大多数实际应用都是在芯片温度 Tvj≤130°C的条件下工作的。图3a概括了热测量结果。很明显，与TO-247封装相比，在130°C结温下，ISO247封装的功率处理能力提高了170%，电流处理能力提高了30%。

先进的ISO247封装具有卓越的散热性能，为提高终端应用的功率密度和输出功率挖掘了潜力。一个直流母线电压为800V的有源前置转换 (AFE) 最初设计功率为20kW，将其从1200V、25mΩ、采用TO-247封装并带有外部隔离片的SiC MOSFET升级到采用先进ISO247封装解决方案的相同SiC MOSFET，有可能将该系统的直流输出功率提高到~30kW。如图3b所示，这意味着直流输出功率大幅提高了48%。
此外，ISO247解决方案还提供了大量节约成本的机会。表2列出了一个示例方案。
  • 直接成本节约归功于电流和功率处理能力的增强、功率密度的提高、PCB面积的节省以及碳化硅芯片成本的降低；
  • 由于消除了隔离片，减少了潜在的保修索赔，从而间接节约了成本。

图2 基于ISO247和TO-247的SiC MOSFET的a)热阻抗和b)结温测量对比.JPG

图2 基于ISO247和TO-247的SiC MOSFET的a)热阻抗和b)结温测量对比

图3 a) Tvj=130°C时的热测量结果.JPG

图3 a) Tvj=130°C时的热测量结果；b) 使用ISO247估计可增加的应用输出功率

表2  使用ISO247系统节约成本的机会

表2 使用ISO247系统节约成本的机会.JPG

总结

随着WBG器件的日益普及，需要在封装技术方面取得创新性进展，以充分利用WBG半导体提供的优势。Littelfuse的ISO247是一种独特的隔离式封装，专为满足基于SiC的应用的严格要求而设计，同时与标准TO-247封装兼容。通过对ISO247和TO-247封装进行热测量比较，可以确定，采用高性能Si3N4陶瓷的Littelfuse ISO247可显著降低64%的热阻RthJH和53%的温差∆TJH。
因此，在相同的直流电流下，ISO247封装的SiC MOSFET芯片的温度最高可降低60℃。这大大提高了器件的整体使用寿命和应用可靠性。简单地说，由于采用高性能陶瓷的ISO247封装的热阻RthJH和功率耗散PDJH得到了改善，工程师可以在给定的应用额定功率下选择RDS(on)更高的芯片。这在系统层面为节省成本提供了重要机会。
此外，在功率电子应用中采ISO24还能减少安装工作量、节省空间、降低总体热阻和提高功率密度，同时简化散热设计。

参考文献：

[1] S Shridhar Paradkar, F. Perraud, ‘ISO247: High Performance Ceramic based Advanced Isolated Discrete Package to Fully Exploit the Advantages of SiC MOSFET’; PCIM-2024, Nuremberg, Germany
[2] Application Note: ‘ISOPLUSTM: Isolated Discrete Power Semiconductors’, www.littelfuse.com, access on 29-12-2023.
[3] IEC Standard: ‘IEC 60747-8:Semiconductor Devices – Discrete Devices – Part 8: Field-effect Transistors’, Edition 3.0, 2010-12.
[4] A. Bhatt, U. Kulsoom, F. Perraud, M. Schulz, L. Gant, ‘ISOPLUS - SMPD: An Advanced Isolated Packaging to Fully Exploit the Advantages of SiC MOSFETs’; PCIM-2023, Nuremberg, Germany
[5] A. Bhatt et al., ‘SMPD: An Advanced Isolated Package to Keep the SiC MOSFET Chip up to 75°C Cooler’, Article in Bodo’s Power Systems, pp. 34-35, Jul 2023.

文章来源：Littelfuse