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赛米控（SEMIKRON）在MiniSKiiP系列产品上使用相同芯片组和模块尺寸实现了尽可能高的功率密度,并使电流输出能力得到了超过30%的提升.
被广泛验证的MiniSKiiP系列产品已经成为紧凑型中小功率电机驱动的标准.这种无底板模块的阻断电压高达170 0V且电流范围为4~40 0A,主要拓扑结构有CI B（整流+逆变+制动）、三相全桥、H桥、半桥及不受控制/半控桥整流器与制动斩波器等.得益于全功率范围内可扩展性及独特的单/双螺丝连接概念,MiniSKiiP系列产品具有很论文范文本优势,只需一个安装过程,就可以完成包括功率模块、散热器、带DC母线电容器的功率PCB板、线路、电机接线端子及电流传感器等在内的完整子系统的组装.高质量水平是这个系列的另一个优势,其每一个出厂的模块在生产过程中均经过了100%的电气性能测试.
凭借这种独创性,目前全球范围内超过3亿颗MiniSKiiP模块被售出并广泛应用于电机驱动中,同时帮助客户构建更紧凑和更具成本优势的解决方案.然而如何进一步优化成本?答案就是通过降低功率系统的热阻来提高功率密度.
热界面材料（TIM：Thermal Interface Material）的热阻占据功率芯片到散热器间热阻（Rth(j-s)）的约50%,为Rth(j-s)的最大组成部分,因此改善这一部分的热阻是十分有必要的.
TIM的主要作用是以最小化厚度平滑模块底部和散热器表面的凹凸,实现两个面之间的热连接.图1显示了不同材料组合层使如何影响TIM层的热阻Rth-TIM.
市场上的各种TIM都承诺具有优异的热性能,大多数用户也只是关注规格书上的导热系数值,但事实上,这个值只是与其本征层的热阻Rth-bulk相关.
垫片和薄箔往往在垂直方向上具有高导热系数,其相对于导热硅脂是刚性的,这意味着它们不能够充分填补凹凸及微米范围内的弯曲,如图1.b所示.即使TIM的导热系数很高即热阻Rth-bulk很小,但是由于增加了接触电阻Rth-contact,所以TI M层的总热阻也不是最佳.
为什么TIM比传统导热膏性能好,并肯定比导热垫片更好?这是由于TIM主要有两个组成部分,包括作为导热材料的填充颗粒以及负责润湿性的载体材料基体.对于Rth-bulk而言,填充度是最重要的影响因素,而单个颗粒导热系数的影响较小.如图2所示,填充度描述了化合物里面导热材料的数量,然而金属表面接触层的热阻Rth-contact主要是由颗粒大小和粒度分布决定的.
因此,对于一个最优化的总热阻Rth-TIM来说,填充度、颗粒大小、粒度分布都不是最重要的,而单个颗粒的导热系数必须进行优化.赛米控已经应用其高性能导热膏（HPTP：High PerformanceThermal Paste）做到了这一点,图1.c）描述了不同大小的颗粒是协助填补表面凹凸的.
填充度和总体性能的相关性对HPTP而言也是可见的,其规格书中的热导率值是平均值,当其应用于功率模块上时热性能论文范文,正如通过赛米控所实行的全面基准测试发现的那样.
除了这些因素,功率模块本身及其安装条件也对HPTP性能有着显著的影响.因此,优化导热膏的厚度及分布必须具体针对每个功率模块的类型来进行.
赛米控在功率模块上应用TIM有着超过了20年的经验,有超过1000万个预涂TIM的功率模块在现场应用.赛米控在其多款功率模块中应用了HPTP,图3为优化后的TIM预涂图案的MiniSKiiP模块底部示意图.每个预涂模块都经过了一个全面的认证环节,以确保TIM在应用中的长期稳定性和性能以及安装前的保质期限.除了工业应用以外,如汽车标准等更具挑战性的应用要求也得到了满足.
热阻Rth(j-s)的第二大组成部分来自于陶瓷材料,对这部分进行优化也是有必要的.基于Al2O3的直接铜熔接基板（DBC：DirectBonded Copper）的替代品目前也取得了广泛应用.考虑到散热和机械参数,Si3N4主动金属钎焊基板（AMB：Active Metal Brazing）是一个理想的候选者.Si3N4具有Al2O3 4倍高的热导率以及明显论文范文的力学特性,如其弯曲强度值为65 0 M Pa以及断裂韧性为 7MPa/（m-1）,而Al 2O3的则分别为450 MPa与4.2 MPa/（m-1）.钎焊过程也保证了铜/陶瓷连接的耐久性,从而有效提高热循环次数.
随着新材料的使用,更新并优化认证方式和测试规范是有必要的.基于Si3N4基板的AMB生产工艺要求钎焊金属化层,这其中也包括银材料.银可以在环境湿度和来自于高DC电压产生的电场的影响下进行迁移,这两种现象在功率模块中十分常见.这种银迁移会导致基板表面出现可视的变化,即在隔离沟槽中迁移银树突的出现,如图4所示.标准的高压高湿、高温反向偏压（HV-H3TRB）测试会促进这种效应.
为了确认这种效应对产品的应用寿命没有负面影响,新增加的加速寿命测试已经完成.为了确保产品可靠性,这个测试还原了真实工况.功率模块在温湿度变化的环境运行,其中温度在-15℃和85℃之间变化,相对湿度为10%和85%间变化,每个周期为12小时并运行10个周期,模块母线电压为540V DC,载波频率为1kHz,整个测试完成后没有出现失效.
图5描述了Rth(j-s)降低对输出电流能力的提升,以上结果是基于6单元结构的MiniSKiiP3模块模拟一个典型电机驱动应用所得出.仅仅是将现有模块Al2O3基板上的标准TIM更换为HPTP,其Rth(j-s)就减少了34%.考虑到工作频率4 kHz,200%过载10s的标准电机驱动应用时,结果是在相同工作结温下输出电流显著提高了20%.
通过将Al2O3基板换做带有HPTP的Si3N4可进一步减小Rth(j-s),提高输出功率多达54%且模块功率密度增加34%.
由上可知,通过在功率模块中采用最先进的热界面材料与基板技术相结合,可大幅度提高电机驱动应用的输出性能,并不影响模块的使用寿命.
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