摘要：為了降低(di)(di)VVVF變頻(pin)(pin)器在開關頻(pin)(pin)率(lv)下工(gong)作所產生的(de)(de)(de)EMI噪聲電(dian)平(ping)，實(shi)現用(yong)(yong)電(dian)力(li)半導體動(dong)力(li)開關替代(dai)短(duan)接充電(dian)電(dian)阻(zu)的(de)(de)(de)機械接觸器，以(yi)提高變頻(pin)(pin)器工(gong)作的(de)(de)(de)穩定性(xing)和可靠性(xing)，并用(yong)(yong)IGBT和FRED串接的(de)(de)(de)制動(dong)電(dian)路來實(shi)現變頻(pin)(pin)器發生故障時(shi),能將回饋能量消耗在制動(dong)電(dian)阻(zu)上的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。開發了一種用(yong)(yong)混合集成(cheng)技(ji)術(shu)把(ba)由超(chao)快恢復二極(ji)管(FRED)組成(cheng)的(de)(de)(de)三相(xiang)整流(liu)橋,晶(jing)閘管(SCR)動(dong)力(li)開關和IGBT與FRED串接的(de)(de)(de)制動(dong)器組成(cheng)一個VVVF變頻(pin)(pin)器專用(yong)(yong)模(mo)塊(以(yi)下簡(jian)稱專用(yong)(yong)模(mo)塊)。檢測和實(shi)用(yong)(yong)表明，這(zhe)種模(mo)塊能使變頻(pin)(pin)器降低(di)(di)EMI噪聲電(dian)平(ping)15分貝(dB)，并使變頻(pin)(pin)器裝置具有(you)體積小、成(cheng)本低(di)(di)、工(gong)作安全(quan)可靠。本文將簡(jian)要介(jie)紹這(zhe)種模(mo)塊的(de)(de)(de)組成(cheng)、功能、設計、內部結構、制作特點以(yi)及主要技(ji)術(shu)參數。
關鍵詞：混合集成技術;AlN DBC基板;IGBT制動器;FRED三相整流(liu)橋;
Abstract: In order to reduce the EMI noise level which a working VVVF inverter produces at high switching frequency, the substitution of power semiconductor switch for mechanical contactor which shorts the charging resistor is realized, so that the stabilization and reliability of VVVF inverter operation are increased. Using brake circuit which consists of the IGBT in series with FRED realizes the return energy consumed on brake resistor, when the short circuit accident of VVVF inverter happens .We have developed a special module for VVVF inverter which is made of a 3-phase Fast Recover Epitaxial Diode (FRED) rectifier bridge, a power thyristor and a brake circuit from IGBT in series with FRED. The using of and testing to this kind of module confirm that it can reduce the EMI noise level of VVVF inverter 15db. This inverter equipment has the features of small volume and low cost,It is safe and operates reliably. The composition , the function, the design,the inner construction,the features of manufacture and the main technical parameters of this special module are briefly introduced.
Key words: Hybrid integrated technique; AlN DBC substrate; IGBT brake; 3-phase FRED rectifier bridge;
1 引言
硬件結構模(mo)塊化是當(dang)今電力電子技術發展(zhan)方向之一，模(mo)塊化結構有利于(yu)提高裝置的密集性、效率和(he)可靠性，同時也可縮(suo)短產品進入市場的周期，降低生產成本，提高企業(ye)在市場中的競爭力。
專(zhuan)用模塊(kuai)主要用于由(you)大功(gong)率開關器(qi)(qi)件(IGBT,功(gong)率MOSFET,IGCT等)制成(cheng)的帶直流(liu)環的VVVF變頻(pin)器(qi)(qi)。目(mu)前(qian)VVVF變頻(pin)器(qi)(qi)大都(dou)采用由(you)普通整流(liu)二極管(SD)組成(cheng)的三相整流(liu)橋模塊(kuai)向(xiang)逆變電路提供直流(liu)電源，用機械接(jie)(jie)觸器(qi)(qi)來短(duan)接(jie)(jie)充電限流(liu)電阻，并(bing)用分立的IGBT動(dong)力開關來完成(cheng)裝(zhuang)置的制動(dong)功(gong)能如圖(tu)1所示(shi)：
采(cai)(cai)用這些分立部件的(de)VVVF變(bian)頻器具有(you)EMI噪(zao)聲電(dian)(dian)平高(gao)，機械接(jie)觸(chu)(chu)(chu)器的(de)觸(chu)(chu)(chu)點(dian)因(yin)帶(dai)弧頻繁開(kai)關(guan)或(huo)因(yin)帶(dai)粉(fen)塵和(he)潮濕環(huan)境的(de)影響而使(shi)觸(chu)(chu)(chu)頭(tou)經常損壞，致使(shi)變(bian)頻裝置工(gong)作的(de)可靠性(xing)(xing)和(he)穩定性(xing)(xing)降(jiang)低，壽命縮短(duan)。而若采(cai)(cai)用專用模塊(kuai)，則(ze)三相(xiang)整流橋由普通SD改(gai)用FRED，機械接(jie)觸(chu)(chu)(chu)器改(gai)用SCR半導體動力開(kai)關(guan)以及(ji)采(cai)(cai)用由FRED與IGBT串(chuan)接(jie)的(de)制動開(kai)關(guan)后，可使(shi)VVVF變(bian)頻器的(de)EMI噪(zao)聲電(dian)(dian)平降(jiang)低15分貝(bei)(dB)，從(cong)(cong)(cong)而大大降(jiang)低EMI低通濾(lv)波器的(de)電(dian)(dian)感(gan)和(he)電(dian)(dian)容量(liang)及(ji)其尺寸，從(cong)(cong)(cong)而縮小濾(lv)波器的(de)體積，降(jiang)低成本。又因(yin)實(shi)現了SCR動力開(kai)關(guan)，使(shi)短(duan)接(jie)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)阻的(de)開(kai)關(guan)壽命幾(ji)乎(hu)達到永久性(xing)(xing)水平。同時利用IGBT制動開(kai)關(guan)可實(shi)現當變(bian)頻器短(duan)路或(huo)逆變(bian)失敗時，利用觸(chu)(chu)(chu)發IGBT，能將儲藏(zang)在逆變(bian)電(dian)(dian)路中的(de)回饋能量(liang)消耗在制動電(dian)(dian)阻上，從(cong)(cong)(cong)而使(shi)VVVF變(bian)頻器能夠很快恢(hui)復到工(gong)作狀(zhuang)態。
2 專(zhuan)用(yong)模塊的組成及其功能
2.1 專用模塊(kuai)的組成(cheng)
專用模塊是由七個(ge)(ge)反向(xiang)恢(hui)復時間(trr)為納(na)秒級的FRED芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)、一(yi)個(ge)(ge)高(gao)(gao)電(dian)壓(ya)、大電(dian)流(liu)的IGBT芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)和(he)一(yi)個(ge)(ge)高(gao)(gao)壓(ya)、大功率SCR芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)按一(yi)定電(dian)路連接(jie)后(hou)，共同(tong)封(feng)裝在(zai)一(yi)個(ge)(ge)PPS加40%玻璃纖維的工(gong)程塑料外殼內制(zhi)成，并(bing)采用RTV、環氧(yang)樹(shu)脂(zhi)、硅凝膠等三(san)重密封(feng)保護(hu)，大大提(ti)高(gao)(gao)了模塊的密封(feng)性(xing)，從而提(ti)高(gao)(gao)其工(gong)作的穩定性(xing)和(he)可靠(kao)性(xing)。專用模塊中的六個(ge)(ge)FRED芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)連成一(yi)個(ge)(ge)三(san)相整流(liu)橋，一(yi)個(ge)(ge)IGBT芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)和(he)一(yi)個(ge)(ge)FRED芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)串(chuan)聯成一(yi)個(ge)(ge)制(zhi)動(dong)器，而一(yi)個(ge)(ge)SCR芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)串(chuan)聯在(zai)三(san)相整流(liu)橋的正輸出端作為動(dong)力(li)開關，模塊內部電(dian)聯接(jie)圖如圖2所示(shi)：
2.2 模塊的(de)功能(neng)
2.2.1 用(yong)專(zhuan)用(yong)模(mo)塊替代(dai)分(fen)(fen)立的(de)(de)SR三(san)相(xiang)整(zheng)流橋模(mo)塊、機械(xie)接觸器和分(fen)(fen)立的(de)(de)IGBT開關(guan)后，使之具(ju)(ju)有體積(ji)小、重量(liang)輕、結(jie)構緊(jin)湊、可靠(kao)性(xing)高、外(wai)接線簡單、互換性(xing)好、便于(yu)(yu)(yu)維修和安裝(zhuang)等特點。由于(yu)(yu)(yu)電(dian)路(lu)連(lian)線已在模(mo)塊內(nei)(nei)完成，并(bing)采用(yong)與(yu)(yu)PCB板(ban)一樣能刻蝕出各種(zhong)(zhong)圖形結(jie)構的(de)(de)AlN DBC覆銅板(ban)，因此大(da)大(da)縮短了模(mo)塊內(nei)(nei)元器件之間(jian)的(de)(de)連(lian)線，并(bing)減少連(lian)線數，使裝(zhuang)置電(dian)路(lu)的(de)(de)寄生電(dian)感(gan)和寄生電(dian)容值(zhi)大(da)大(da)降低，有利于(yu)(yu)(yu)實(shi)現裝(zhuang)置的(de)(de)高頻化。此外(wai)，由于(yu)(yu)(yu)專(zhuan)用(yong)模(mo)塊的(de)(de)各主電(dian)極端子(zi)、控制(zhi)極端子(zi)和輔助(zhu)接線端子(zi)與(yu)(yu)模(mo)塊銅底(di)板(ban)之間(jian)具(ju)(ju)有大(da)于(yu)(yu)(yu)2.5kV以上的(de)(de)有效值(zhi)絕緣耐壓VISO，使之能與(yu)(yu)裝(zhuang)置內(nei)(nei)其它各種(zhong)(zhong)模(mo)塊(如(ru)IGBT模(mo)塊、功率MOSFET模(mo)塊、FRED模(mo)塊等)共同安裝(zhuang)在同一接地的(de)(de)散熱(re)器上，有利于(yu)(yu)(yu)裝(zhuang)置體積(ji)的(de)(de)進一步縮小，簡化裝(zhuang)置結(jie)構設計，這特別適用(yong)于(yu)(yu)(yu)對空(kong)間(jian)要求十分(fen)(fen)嚴格的(de)(de)軍事(shi)、航(hang)天、航(hang)空(kong)等領域的(de)(de)應用(yong)，并(bing)達(da)到節(jie)材節(jie)電(dian)的(de)(de)目的(de)(de)。
2.2.2 由(you)(you)于(yu)(yu)EMI低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)內(nei)存在(zai)(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)，致(zhi)使(shi)(shi)(shi)三(san)相整流(liu)(liu)(liu)(liu)橋的(de)(de)(de)(de)輸入(ru)電(dian)(dian)壓變(bian)(bian)得(de)非常“硬”，在(zai)(zai)(zai)(zai)此情況下，當三(san)相整流(liu)(liu)(liu)(liu)橋內(nei)的(de)(de)(de)(de)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)從一(yi)(yi)(yi)個(ge)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管支路(lu)(lu)(lu)換(huan)相到另一(yi)(yi)(yi)個(ge)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管支路(lu)(lu)(lu)時，在(zai)(zai)(zai)(zai)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管重新恢(hui)(hui)復(fu)(fu)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)阻斷(duan)(duan)能(neng)力之前(qian)，有一(yi)(yi)(yi)個(ge)很短(duan)的(de)(de)(de)(de)猶如短(duan)路(lu)(lu)(lu)狀(zhuang)況的(de)(de)(de)(de)時間(jian)間(jian)隔，此時將產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)(yi)個(ge)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)di/dt電(dian)(dian)平(ping)和(he)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)峰值(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)(IRM)，而(er)(er)IRM又(you)取決于(yu)(yu)di/dt值(zhi)(zhi)(zhi)，并(bing)隨(sui)di/dt的(de)(de)(de)(de)增(zeng)高(gao)而(er)(er)增(zeng)大(da)。此外，由(you)(you)于(yu)(yu)變(bian)(bian)頻(pin)器(qi)(qi)內(nei)開(kai)關器(qi)(qi)件(IGBT、功率(lv)MOSFET、IGCT)和(he)FRED的(de)(de)(de)(de)高(gao)速(su)(su)通(tong)斷(duan)(duan)轉(zhuan)換(huan)，使(shi)(shi)(shi)之產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)的(de)(de)(de)(de)di/dt和(he)dv/dt，結合(he)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)寄生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)感和(he)電(dian)(dian)容(rong)，使(shi)(shi)(shi)之產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)磁干(gan)擾(EMI)，使(shi)(shi)(shi)變(bian)(bian)頻(pin)裝(zhuang)置的(de)(de)(de)(de)輸入(ru)端產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)較大(da)的(de)(de)(de)(de)共模干(gan)擾和(he)差模干(gan)擾，從而(er)(er)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)諧波和(he)波形(xing)嚴重失真。當采(cai)用反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)時間(jian)(trr)短(duan)(納秒(miao)級(ji))和(he)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)峰值(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)FRED替代SD后，就可(ke)(ke)完全消除(chu)這種影響。對裝(zhuang)置的(de)(de)(de)(de)EMI檢測表明，當逆(ni)變(bian)(bian)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)在(zai)(zai)(zai)(zai)10～200kHz范圍內(nei)，可(ke)(ke)使(shi)(shi)(shi)EMI噪聲電(dian)(dian)平(ping)降低15分貝(dB)，若采(cai)用trr在(zai)(zai)(zai)(zai)1微妙左右的(de)(de)(de)(de)快(kuai)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管(FRD)時，則可(ke)(ke)降低EMI噪聲電(dian)(dian)平(ping)10分貝(dB)〔1〕，從而(er)(er)可(ke)(ke)降低濾(lv)波器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)感和(he)電(dian)(dian)容(rong)值(zhi)(zhi)(zhi)，并(bing)縮小(xiao)它(ta)們的(de)(de)(de)(de)外形(xing)尺(chi)寸，因而(er)(er)減少成本，并(bing)降低變(bian)(bian)頻(pin)裝(zhuang)置對電(dian)(dian)網及周邊設備的(de)(de)(de)(de)污染(ran)和(he)干(gan)擾。圖3示出(chu)了同容(rong)量(liang)FRED(a)和(he)SD(b)的(de)(de)(de)(de)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)峰值(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)波形(xing)的(de)(de)(de)(de)比(bi)較。由(you)(you)圖可(ke)(ke)見，trr(a)比(bi)trr(b)短(duan)得(de)多(duo)，而(er)(er)同容(rong)量(liang)FRED的(de)(de)(de)(de)IRM約為SD的(de)(de)(de)(de) 左右，這就大(da)大(da)有利于(yu)(yu)整流(liu)(liu)(liu)(liu)橋內(nei)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)(er)極(ji)(ji)管快(kuai)速(su)(su)重新恢(hui)(hui)復(fu)(fu)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)阻斷(duan)(duan)能(neng)力和(he)因IRM的(de)(de)(de)(de)減小(xiao)而(er)(er)降低di/dt值(zhi)(zhi)(zhi)，有利于(yu)(yu)EMI噪聲電(dian)(dian)平(ping)的(de)(de)(de)(de)降低。
2.2.3 用SCR替代機(ji)械接觸器(qi)，實現了(le)無觸點的(de)電力半導(dao)體動力開關(guan)的(de)目的(de)，避免了(le)因帶弧開關(guan)和潮濕、粉塵(chen)等環境條件的(de)影(ying)響(xiang)，使機(ji)械接觸器(qi)的(de)觸頭經常損壞的(de)現象，因而提高了(le)裝置(zhi)的(de)工作穩定性(xing)和可靠性(xing)，延長裝置(zhi)的(de)壽(shou)命。
2.2.4 用不可控三相整流橋向變頻器的逆變電路供電時，不能實現功率的雙向傳輸，也無法實現電動機快(kuai)速和頻繁的(de)(de)制(zhi)動(dong)(dong)要求，更不(bu)能實(shi)現當變(bian)頻器短路(lu)或(huo)逆變(bian)失敗時(shi)，將儲存(cun)在(zai)(zai)逆變(bian)電(dian)路(lu)中的(de)(de)能量(liang)立即饋送到交流工頻電(dian)網的(de)(de)要求，為此采用IGBT與FRED串聯電(dian)路(lu)作為動(dong)(dong)力制(zhi)動(dong)(dong)單元，實(shi)現了將回饋能量(liang)耗散在(zai)(zai)制(zhi)動(dong)(dong)電(dian)阻上(shang)的(de)(de)目的(de)(de)。
3 專用模(mo)塊(kuai)的工藝結構設計(ji)及(ji)其特點
在模塊的設(she)計和制作過程中(zhong)，將涉及(ji)到電(dian)力(li)半導(dao)體(ti)芯片的焊接、封裝和布線連結、熱(re)傳導(dao)、材料(liao)應力(li)、電(dian)磁(ci)干(gan)擾、氣密性(xing)等多項工(gong)藝(yi)設(she)計技術問(wen)題，圖(tu)4示(shi)出了模塊內部(bu)結構連線示(shi)意(yi)圖(tu)：
根(gen)據圖4的(de)要求，設計出(chu)AlN DBC基板上的(de)印刷電路(lu)圖形(xing)，刻蝕出(chu)電力半導體(ti)芯片和(he)(he)各種引出(chu)電極(ji)的(de)焊接位置以及(ji)銅(tong)導線的(de)寬(kuan)度(du)、長度(du)、形(xing)狀、尺寸和(he)(he)走(zou)向，并確(que)定(ding)DBC板的(de)大小和(he)(he)數量。其(qi)特點如(ru)圖5所示：
3.1 根據(ju)三相整流橋共陰(yin)(yin)和共陽(yang)(yang)連線(xian)的(de)(de)情況，利用(yong)FRED正(zheng)燒(shao)(陰(yin)(yin)極(ji)在(zai)上(shang)，陽(yang)(yang)極(ji)在(zai)下(xia)(xia))和反(fan)燒(shao)(陽(yang)(yang)極(ji)在(zai)上(shang)，陰(yin)(yin)極(ji)在(zai)下(xia)(xia))的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)，在(zai)DBC板上(shang)刻(ke)蝕出共陽(yang)(yang)線(xian)CA和共陰(yin)(yin)線(xian)CC，將正(zheng)燒(shao)的(de)(de)FRED1、FRED2和FRED3焊在(zai)CA線(xian)上(shang)，將反(fan)燒(shao)的(de)(de)FRED4、FRED5和FRED6焊在(zai)CC線(xian)上(shang)，從而(er)減少(shao)了(le)連線(xian)數，并簡化了(le)工(gong)藝結(jie)構(gou)(gou)，同(tong)時為了(le)連線(xian)方便(bian)，FRED7亦(yi)采用(yong)反(fan)燒(shao)結(jie)構(gou)(gou)。
3.2 銅(tong)(tong)底(di)板(ban)(ban)為AlN DBC基(ji)板(ban)(ban)提供了(le)聯結(jie)支撐和導(dao)熱(re)通道，是整個模(mo)塊(kuai)結(jie)構的(de)基(ji)礎。但由(you)于銅(tong)(tong)底(di)板(ban)(ban)的(de)熱(re)線性膨(peng)脹系數為16.7×10-7/℃，而AlN DBC 板(ban)(ban)為5.1×10-6/℃，相差較大(da)，當(dang)過(guo)大(da)面積的(de)DBC板(ban)(ban)與銅(tong)(tong)底(di)板(ban)(ban)間相互高(gao)(gao)溫焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)后(hou)，將(jiang)產生巨大(da)應力(li)，為了(le)減少此(ci)應力(li)，將(jiang)AlN DBC 分(fen)成(cheng)DBC1和DBC2兩塊(kuai)，并用(yong)(yong)CB7和CB8銅(tong)(tong)橋相連。同時(shi)，在(zai)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)前對銅(tong)(tong)底(di)板(ban)(ban)進行一定弧度的(de)預彎，以便成(cheng)品模(mo)塊(kuai)在(zai)壓裝到散熱(re)器上時(shi)，使兩者之間獲得充(chong)分(fen)的(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)，從(cong)而降低模(mo)塊(kuai)的(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)熱(re)阻(zu)，保證模(mo)塊(kuai)的(de)出力(li)。當(dang)然(ran)，采用(yong)(yong)熱(re)線性膨(peng)脹系數很接(jie)(jie)(jie)近AlN DBC板(ban)(ban)且(qie)可(ke)焊(han)(han)(han)(han)性很高(gao)(gao)的(de)AlSiC底(di)板(ban)(ban)替(ti)代(dai)銅(tong)(tong)底(di)板(ban)(ban)，不(bu)僅將(jiang)提高(gao)(gao)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)疲(pi)勞(lao)壽命(ming)，還能很好(hao)地解決應力(li)問(wen)題。
3.3 模塊內部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)氣聯接為(wei)：一(yi)(yi)是(shi)(shi)采(cai)用(yong)(yong)DBC基板(ban)上(shang)(shang)(shang)印(yin)刷電(dian)(dian)(dian)路(lu)圖(tu)形(xing)進行各(ge)元器件(jian)和(he)(he)各(ge)種電(dian)(dian)(dian)極引出線(xian)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)電(dian)(dian)(dian)氣聯接，二(er)是(shi)(shi)所(suo)有電(dian)(dian)(dian)力半導體器件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)、主(zhu)電(dian)(dian)(dian)極、控制電(dian)(dian)(dian)極和(he)(he)輔(fu)助電(dian)(dian)(dian)極直接焊在(zai)DBC基板(ban)上(shang)(shang)(shang)所(suo)刻蝕出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定圖(tu)形(xing)位置上(shang)(shang)(shang)，其余就是(shi)(shi)采(cai)用(yong)(yong)鋁(lv)(lv)絲(si)(si)超聲鍵(jian)合(he)(he)連(lian)接(見圖(tu)5內紅線(xian))。但因(yin)鋁(lv)(lv)絲(si)(si)鍵(jian)合(he)(he)點的(de)(de)(de)(de)(de)(de)牢固(gu)與否(fou)，往往在(zai)模塊使用(yong)(yong)過(guo)(guo)程中因(yin)溫度變化而引起(qi)脫落，造成芯(xin)片(pian)損壞(huai)。為(wei)了(le)避免這一(yi)(yi)現象的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發生(sheng)，一(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian)采(cai)取了(le)按(an)鋁(lv)(lv)絲(si)(si)直徑大小調整好鍵(jian)合(he)(he)功(gong)率、鍵(jian)合(he)(he)壓(ya)力和(he)(he)鍵(jian)合(he)(he)時間(jian)(jian)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最佳匹配(pei)，采(cai)用(yong)(yong)雜(za)質(zhi)含量(liang)少(shao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)質(zhi)量(liang)鋁(lv)(lv)絲(si)(si)和(he)(he)加(jia)強(qiang)DBC板(ban)清洗工藝等措施外，還(huan)采(cai)用(yong)(yong)了(le)功(gong)率器件(jian)芯(xin)片(pian)用(yong)(yong)上(shang)(shang)(shang)鉬(mu)片(pian)過(guo)(guo)渡方(fang)(fang)法，即鉬(mu)片(pian)一(yi)(yi)面(mian)蒸(zheng)發上(shang)(shang)(shang)一(yi)(yi)層鋁(lv)(lv)，而另一(yi)(yi)面(mian)與功(gong)率器件(jian)芯(xin)片(pian)相焊，如圖(tu)6所(suo)示。在(zai)這種結構(gou)下，由于硅與鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)線(xian)性(xing)膨(peng)脹系(xi)數很接近，幾乎沒有失配(pei)，由此因(yin)熱(re)膨(peng)脹產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力只在(zai)鉬(mu)與鋁(lv)(lv)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)界面(mian)發生(sheng)，因(yin)而大大降(jiang)低鍵(jian)合(he)(he)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力，提高(gao)了(le)鋁(lv)(lv)絲(si)(si)與功(gong)率器件(jian)芯(xin)片(pian)和(he)(he)DBC板(ban)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍵(jian)合(he)(he)力和(he)(he)鍵(jian)合(he)(he)點的(de)(de)(de)(de)(de)(de)牢固(gu)性(xing)，有利于模塊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩定可靠工作(zuo)。
4 模塊(kuai)的結構及制作工藝技術
4.1 模塊的結構‘
圖(tu)7示(shi)出了模塊外形結構示(shi)意(yi)圖(tu)和A-A剖(pou)面示(shi)意(yi)圖(tu)，其主(zhu)要功效為：
4.1.1 塑料外殼(ke)及支(zhi)撐板(ban)是模塊封(feng)裝的關鍵結(jie)構件(jian)，它(ta)(ta)主(zhu)要起密封(feng)及主(zhu)電(dian)極(ji)的支(zhi)撐作用。本專用模塊的外殼(ke)采用絕(jue)緣(yuan)強度高、熱變強度高且加有40%玻(bo)璃纖維(wei)的PPS注塑型材料，它(ta)(ta)能夠解決與銅底板(ban)和主(zhu)電(dian)極(ji)之間的熱脹冷縮的匹配(pei)問(wen)題，它(ta)(ta)與環(huan)氧樹脂板(ban)結(jie)合能實現上下殼(ke)體的結(jie)構聯結(jie)，并為主(zhu)電(dian)極(ji)的引(yin)出線(xian)提供支(zhi)撐。
4.1.2 模塊結構采用(yong)三重保護技術(shu)，即模塊內所(suo)使用(yong)的各種電力(li)半導體芯(xin)片(pian)，均采用(yong)玻璃鈍(dun)化(hua)保護的方形芯(xin)片(pian)，在模塊制(zhi)作過程中，在玻璃鈍(dun)化(hua)層上(shang)再涂(tu)覆(fu)RTV硅橡膠，灌(guan)封絕(jue)(jue)緣性(xing)能(neng)(neng)好、粘接力(li)強、有彈性(xing)的硅凝(ning)膠以及環氧樹脂板，這種多層保護能(neng)(neng)達到較高強度和氣閉(bi)密封，極大地滿足了(le)所(suo)有硅芯(xin)片(pian)的絕(jue)(jue)緣、防潮和導熱的要求(qiu)，使電力(li)半導體芯(xin)片(pian)性(xing)能(neng)(neng)穩(wen)定可靠。
4.1.3 AlN DBC基板(ban)是在(zai)高(gao)溫和氧(yang)氣氛下將銅(tong)箔(bo)和AlN陶瓷片(pian)(pian)雙面(mian)鍵合而(er)成(cheng)，它具有高(gao)的絕(jue)緣強度、優良(liang)的熱導性(xing)、穩定的機(ji)械性(xing)能(neng)、良(liang)好的熱循(xun)環穩定性(xing)和優異的可焊性(xing)。它的熱膨脹系數 (AlN DBC板(ban)為5.1×10-6/℃)很接(jie)近硅(gui)(4.2×10-6/℃)，因而(er)可與硅(gui)芯片(pian)(pian)直接(jie)焊接(jie)，從而(er)省(sheng)略了(le)過渡(du)層鉬片(pian)(pian)，它可像PCB和MIS板(ban)一樣，刻蝕出各種圖形(xing)，作為元器件與電極之(zhi)間(jian)的連線、硅(gui)芯片(pian)(pian)焊接(jie)襯底以及主電極和控制極的焊接(jie)支架，它與作為DBC板(ban)的聯結(jie)支撐和導熱通道(dao)的銅(tong)底板(ban)結(jie)合，已成(cheng)為模塊結(jie)構的基礎。本專用(yong)模塊采用(yong)淄博市臨淄銀(yin)河高(gao)技(ji)術開發(fa)有限公司(si)生產的AlN DBC基板(ban)，獲得優異的結(jie)果〔2〕。
4.1.4 當專用模(mo)塊使用在VVVF變(bian)頻(pin)裝置上時，先在A(4)和(he)+5接(jie)線柱(zhu)上連(lian)接(jie)充電電阻，而(er)在Br(9)和(he)+5上連(lian)接(jie)制(zhi)動電阻，它們(men)的(de)數(shu)值(zhi)將(jiang)根據VVVF變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)功率不同(tong)而(er)不同(tong)。
5 專用模塊的主要工藝技術及其技術參數
5.1 工藝技術
焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)是(shi)制(zhi)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)半(ban)導(dao)體模塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)核心技(ji)術，目前存在著(zhu)熱板焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、回流(隧道爐)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、真空焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)和(he)真空加氣(qi)體保護焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)，它們(men)各(ge)有優缺點，在選擇采(cai)(cai)用(yong)(yong)何(he)種焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)時，必須根據所(suo)采(cai)(cai)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)半(ban)導(dao)體芯(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)、工(gong)(gong)廠的(de)(de)(de)(de)實際裝(zhuang)備條件以及(ji)綜(zong)合技(ji)術經濟指標(biao)等(deng)來決定(ding)。本公司采(cai)(cai)用(yong)(yong)了二次焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)法來完成專用(yong)(yong)模塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)作(zuo)(zuo)。1一次焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)(yong)真空加氣(qi)體焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法，用(yong)(yong)高于300℃的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)溫(wen)(wen)度，把各(ge)種電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)半(ban)導(dao)體芯(xin)片(pian)(pian)與(yu)AlN DBC基(ji)板焊(han)(han)在一起，采(cai)(cai)用(yong)(yong)升溫(wen)(wen)時通高純氮氣(qi)(N2)，恒溫(wen)(wen)時通高純氫氣(qi)(H2)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法保護焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)件不被氧(yang)化(hua)，并去除(chu)氧(yang)化(hua)物，使(shi)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)面具(ju)有良好浸潤性(xing)，然(ran)后用(yong)(yong)真空技(ji)術排除(chu)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)面的(de)(de)(de)(de)氣(qi)泡，使(shi)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)面具(ju)有良好的(de)(de)(de)(de)歐姆接(jie)(jie)(jie)觸，從而降(jiang)低模塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)熱阻。2采(cai)(cai)用(yong)(yong)360C自動(dong)鍵合機，將電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)半(ban)導(dao)體器件芯(xin)片(pian)(pian)用(yong)(yong)鋁絲(si)超聲(sheng)鍵合在引出主電(dian)(dian)(dian)(dian)極、控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)極和(he)輔助(zhu)(zhu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極的(de)(de)(de)(de)AlN DBC板的(de)(de)(de)(de)圖形內(nei)，如圖5紅線所(suo)示。3二次焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)是(shi)在通惰(duo)性(xing)氣(qi)體的(de)(de)(de)(de)熱板爐內(nei)進(jin)行，其(qi)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)溫(wen)(wen)度應低于一次焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)溫(wen)(wen)度，約為200℃左右(you)，這是(shi)把一次焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)成的(de)(de)(de)(de)AlN DBC板半(ban)成品焊(han)(han)到(dao)銅(tong)底板上，并把各(ge)種主電(dian)(dian)(dian)(dian)極、控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)機以及(ji)輔助(zhu)(zhu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極焊(han)(han)到(dao)AlN DBC板的(de)(de)(de)(de)相應位置上(見圖5)。
5.2 主要技術(shu)參數
表1-1專(zhuan)用模塊(kuai)的(de)主要技術參數
