Modulo di potenza (IPM), IGBT e dispositivi di potenza per il settore automobilistico

L'attuale direzione di progettazione per i moduli SiC è quella di ottenere una struttura più compatta. Questo risultato è ottenuto attraverso l'uso di tecnologie di sinterizzazione dell'argento su entrambi i lati e di saldatura di fili di rame, nonché la progettazione di substrati ceramici in nitruro di alluminio (AlN) ad alte prestazioni per schede PinFin con base in rame raffreddate a liquido e terminali a induzione per il monitoraggio multi-segnale (compatibili con saldatura e press-fitting). Si stanno compiendo sforzi per ottenere basse perdite, elevata tensione di rottura, bassa resistenza in stato attivo, elevata densità di corrente ed elevata affidabilità. Un buon design e una tecnologia di processo avanzata garantiscono che i vantaggi dei MOSFET al carburo di silicio siano massimizzati nei dispositivi.

Celle di dimensioni ridotte, minore resistenza di on, minori perdite di commutazione e una migliore protezione dell'ossido di gate sono le principali tendenze di sviluppo della tecnologia MOSFET al carburo di silicio (SiC). Queste tendenze si traducono in migliori prestazioni e maggiore affidabilità applicativa. Inoltre, l'elevata densità di potenza, le elevate caratteristiche di temperatura di giunzione e i requisiti ad alta frequenza dei dispositivi SiC impongono requisiti più elevati alle tecnologie di packaging esistenti. Attualmente, l'innovazione nel packaging dei moduli di potenza in Cina si concentra principalmente sulle seguenti direzioni:

Materiali e processi di connessione avanzati per resistere a variazioni di temperatura più elevate:

I tre principali tipi di substrati ceramico-rame utilizzati nei moduli di potenza sono i seguenti: AI2O3-DBC ha la resistenza termica più elevata ma il costo di produzione più basso; L'AlN-DBC ha la resistenza termica più bassa ma una scarsa tenacità; Il materiale ceramico Si3N4-AMB ha resistenza termica intermedia, eccellente tenacità e parametri di capacità termica eccezionali, che migliorano notevolmente la capacità di dissipazione del calore del modulo, la capacità di trasporto di corrente e la densità di potenza. Si3N4-AMB è particolarmente adatto per applicazioni di moduli SiC di tipo automobilistico.

Percorsi di interconnessione più brevi e tecnologie di interconnessione avanzate per ridurre l'induttanza parassita per le caratteristiche dei dispositivi ad alta frequenza:

La sinterizzazione dell'argento è attualmente la tecnologia di saldatura più avanzata nel campo dei moduli SiC. Può soddisfare pienamente i severi requisiti dei moduli di potenza di tipo automobilistico per condizioni operative ad alta e bassa temperatura. Rispetto alle tecniche di saldatura tradizionali, la sinterizzazione dell'argento raggiunge zero vuoti, sinterizzazione a bassa temperatura per servizio ad alta temperatura e riduce lo spessore dello strato di saldatura del 60-70%. È adatto per interconnessioni di dispositivi ad alta temperatura. La sinterizzazione dell'argento offre prestazioni elettriche e termiche migliori rispetto ai materiali di saldatura, con un aumento di 5-6 volte della conduttività elettrica e di 3-4 volte della conduttività termica. Molte aziende hanno già tentato di aggiornare tutti i materiali di saldatura tradizionali all’interno dei moduli di potenza, inclusi chip, resistori e sensori, ai processi di sinterizzazione dell’argento.

Integrazione del design della struttura del packaging e della topologia del circuito per una migliore gestione termica del sistema:

Al fine di rendere più compatta la progettazione del percorso termico dei prodotti modulari e consentire una progettazione integrata più compatta ed efficiente dei sistemi inverter, oltre a ridurre ulteriormente i costi complessivi del sistema, si ottengono miglioramenti nella dissipazione del calore e nella capacità di trasporto di corrente attraverso modifiche all'imballaggio forme. Vengono utilizzate strutture interne con più chip collegati in parallelo, in cui i circuiti paralleli principali e i circuiti di pilotaggio hanno parametri simili per garantire la condivisione di corrente tra chip paralleli. I sensori di temperatura (PTC) sono installati all'interno del modulo e i PTC sono posizionati vicino ai chip nella posizione centrale del modulo, consentendo uno stretto accoppiamento termico e misurazioni della temperatura comode e precise del modulo.