智能功率模塊(SPM)的技術(shù)水平分析

在消費(fèi)電器和一般工業(yè)應(yīng)用的低功率電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域中，采用轉(zhuǎn)模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發(fā)展趨勢。飛兆半導(dǎo)體的智能功率模塊(SPM)涵蓋0.05至7kW的功率范圍，具有緊湊性、功能性、可靠性以及成本效益。通過使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉(zhuǎn)模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動器和功率因數(shù)校正等各種電路拓?fù)?。本文將從器件、封裝以及系統(tǒng)配置的角度介紹在SPM中實現(xiàn)的尖端技術(shù)。

對于服務(wù)于家電和低功率工業(yè)市場的公司來說，關(guān)注重點越來越多地從制造過程的縱向集成轉(zhuǎn)向核心競爭力的開發(fā)，例如品牌開發(fā)、客戶服務(wù)及物流等。將分立功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動器集成進(jìn)一個封裝中，能夠使這些公司減少在設(shè)計上花費(fèi)的時間和精力，保證其電器產(chǎn)品擁有可靠的功率電子部件。這種集成使這些公司能夠縮短產(chǎn)品上市時間，更快地將創(chuàng)新技術(shù)帶給最終用戶。

推動對創(chuàng)新需求的一個動力是長遠(yuǎn)的節(jié)能倡議，這些倡議迫使企業(yè)采用逆變器驅(qū)動技術(shù)。不同類型的電器使用不同的驅(qū)動解決方案，所以不同類型系統(tǒng)的功率級要求都有所不同，即電路拓?fù)浜凸β仕?。本文將列出多個實例，將不同的器件成功地集成在一個模塊中以滿足這些變化多樣的需求。

從1999年首次開發(fā)SPM至今，飛兆半導(dǎo)體已經(jīng)成功開發(fā)了多種SPM系列，涵蓋從50W至7kW的消費(fèi)電器和低功率一般工業(yè)應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹SPM設(shè)計概念及其半導(dǎo)體實現(xiàn)方法(功率器件和控制IC)、封裝及系統(tǒng)技術(shù)。

功率器件

由于IGBT技術(shù)的進(jìn)步，自從SPM系列首次在工業(yè)市場出現(xiàn)以來，一直不斷地經(jīng)歷著升級。隨著亞微米設(shè)計規(guī)則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實現(xiàn)了關(guān)斷損耗和導(dǎo)通壓降之間更好的性能平衡關(guān)系，同時確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術(shù)方面的改進(jìn)。顯然，V5 IGBT具有出色的器件性能，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。

低功耗運(yùn)作常常需要更快的開關(guān)速度，這造成了恢復(fù)電流的增加和dv/dt的升高，會帶來較大的電磁干擾(EMI)、高浪涌電壓和電機(jī)泄漏電流。在SPM系列的開發(fā)過程中，已經(jīng)考慮了EMI問題，并優(yōu)化了柵極驅(qū)動的設(shè)計，犧牲高開關(guān)速度以控制集成IGBT的開關(guān)速度。正是由于IGBT具有低導(dǎo)通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時實現(xiàn)低EMI特性。圖2所示為SPM的典型dv/dt特性。在其額定電流下，開啟和關(guān)斷dv/dt低于5kV/μs。

此外，為了獲得更佳的ESD保護(hù)，在柵極和發(fā)射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多硅背靠背二極管。2,350×2,350平方微米的芯片面積能夠獲得HBM 2.5kV和MM 300V的ESD電平。使用集成式保護(hù)二極管，所有的SPM產(chǎn)品都達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ESD電平。

圖1. SPM制造過程中IGBT的改進(jìn)

圖2. 開關(guān)dv/dt特性(Vpn=300V、Vcc=15V、25度、20A額定電流)

驅(qū)動器IC

由于成本效益的原因，HVIC和LVIC設(shè)計為具有最少的必要功能，特別適合于消費(fèi)電器的逆變器驅(qū)動。設(shè)計方面的考慮包括：借助精細(xì)工藝技術(shù)減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅(qū)動有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩(wěn)定性等等。

HVIC的一個特性是內(nèi)置高電平偏移功能，如圖3所示，能夠?qū)碜晕⒖刂破鞯腜WM輸入直接轉(zhuǎn)換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容，可以采用單一控制電源驅(qū)動SPM。
圖3. 高邊驅(qū)動器配置
另一方面，HVIC對于外部噪聲敏感，因為其信號是通過脈沖信號和SR鎖存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。對于這種脈沖驅(qū)動HVIC，高dv/dt開關(guān)驅(qū)動IGBT是最危險的開關(guān)類型。假設(shè)從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導(dǎo)通dv/dt是dVS/dt，CM必須采用大電流(CM*dVS/dt)充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過大的壓降，從而誤觸發(fā)SR鎖存器。

為了克服噪聲敏感性，因此開發(fā)了具有獨特拓?fù)涞脑肼曄?，如圖3所示。V/I轉(zhuǎn)換器將電平變換器的輸出轉(zhuǎn)換成電流信息。對于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉(zhuǎn)換器會給出相同的輸出。但是，對于正常運(yùn)作，V/I轉(zhuǎn)換器輸出是互不相同的，因為兩個LDMOS中只有一個工作于正常的電平轉(zhuǎn)換器運(yùn)作狀態(tài)。這樣可以方便地確定V/I轉(zhuǎn)換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出。然后，V/I轉(zhuǎn)換器重建電壓信號，這個信號來自V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動。最后，經(jīng)放大的信號送到SR鎖存器。

V/I和I/V轉(zhuǎn)換的另一個優(yōu)點是允許負(fù)VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨特的拓?fù)?，飛兆半導(dǎo)體的HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達(dá)50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴(kuò)展負(fù)電壓運(yùn)作范圍，在VBS=15V左右達(dá)到VS=-10V。

LVIC負(fù)責(zé)所有的保護(hù)功能及其向微控制器的反饋。它的保護(hù)電路檢測控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻的IGBT集電極電流，并在錯誤狀態(tài)中斷IGBT的操作。有關(guān)的保護(hù)應(yīng)該不受溫度和電源電壓的影響。例如在表1中給出了LVIC中過電流保護(hù)的探測電平。

表1. LVIC (典型值0.5V) 的過電流探測電平

錯誤信號用于通知系統(tǒng)控制器保護(hù)功能是否已經(jīng)激活。錯誤信號輸出是在低電平有效的集電極開路配置。它一般通過上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當(dāng)錯誤發(fā)生時，錯誤線拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯誤是過電流引起的，輸出則出現(xiàn)一個脈沖，然后自動復(fù)位。首選的低信號持續(xù)時間取決于它的應(yīng)用。例如，對于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應(yīng)用中首選一至兩倍的IGBT開關(guān)頻率。SPM的LVIC提供外部電容，并根據(jù)各種要求設(shè)定該持續(xù)時間。

自舉二極管

除了基本的三相逆變器拓?fù)洌嗟募墒前雽?dǎo)體公司面臨的挑戰(zhàn)之一。約束不是技術(shù)問題，受限的是成本和封裝尺寸。從這一點來看，自舉二極管似乎成為集成的合適器件。實際上，市場上已出現(xiàn)了數(shù)種內(nèi)置自舉二極管的產(chǎn)品，但是從技術(shù)角度來看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高壓結(jié)終止區(qū)域作為自舉二極管。其應(yīng)用局限于額定值在100W以下的低功率應(yīng)用，因為這種方式具有較大的正向壓降和較差的動態(tài)特性。功率在400W左右時，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒有串聯(lián)電阻(RBS)，因此需要對大充電流進(jìn)行特殊處理，尤其在初始的充電期間。在高于400W的應(yīng)用中，最常見的應(yīng)用是將分立FRD和分立電阻進(jìn)行組合。這種方式的唯一缺點是占用空間較大和相應(yīng)的成本增高。

在SPM的開發(fā)中，采用了新設(shè)計的自舉二極管，其設(shè)計目標(biāo)是減小芯片尺寸和獲得適中的正向壓降，以得到20Ω串聯(lián)電阻的等效作用。如圖4所示，其壓降特性等同于串聯(lián)電阻和普通FRD。借助于這種特殊自舉二極管的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的集成同時保持最低的成本。

圖4. 內(nèi)置自舉二極管的正向壓降

封裝

開發(fā)SPM封裝的主要因素是改善性價比，同時提升熱循環(huán)和功率循環(huán)等封裝的可靠性。因此，以往用于IC和LSI產(chǎn)品的轉(zhuǎn)模封裝技術(shù)被用于功率模塊。與具有塑料或環(huán)氧樹脂外殼的普通功率模塊相比，SPM具有相對簡單的結(jié)構(gòu)：功率芯片和IC安裝在銅引線框架上，基底材料與框架連接，最后在環(huán)氧樹脂中模塑成型。

在封裝設(shè)計中散熱是重要的問題，因為它決定了模塊的功率容量限制，且與隔離特性有著很大的折衷平衡關(guān)系。轉(zhuǎn)模封裝SPM系列根據(jù)功率額定值和應(yīng)用，采用幾種隔離基底，如表2所示。

表2. SPM系列的封裝基底

借助現(xiàn)有的可變形基底的優(yōu)點，可在Mini-DIP SPM封裝中實現(xiàn)600V 3A到30A的功率額定值，同時保持PCB管腳布局和價格的競爭力，如圖5所示。

圖5. 不同電流額定值下SPM產(chǎn)品系列的結(jié)和外殼之間的熱阻

除了更高的可靠性和熱性能之外，制定模式的靈活性是DBC(直接相連銅)基底的另一個優(yōu)點。這樣可以針對多種應(yīng)用提供派生產(chǎn)品，比如功率因數(shù)校正、開關(guān)磁阻電機(jī)等，在此只需改變DBC，而其它封裝要素保持不變。

DBC的大批量生產(chǎn)還存在幾個有待解決的技術(shù)問題，采用絲網(wǎng)印刷、多芯片安裝技術(shù)以及傳送帶回流焊和助焊劑清理工藝，開發(fā)DBC基底和引線框架的多芯片安裝和連接技術(shù)。通過回流焊溫度曲線調(diào)整，獲得接近零的焊接空洞，增加熔解區(qū)域之間的溫度斜坡，優(yōu)化焊料和絲網(wǎng)印刷掩模設(shè)計。通過模擬和實驗方法，調(diào)適封裝的熱翹曲以優(yōu)化DBC基底的銅層厚度。

結(jié)論

受到成本因素的約束，SPM設(shè)計所需的綜合技術(shù)包括功率器件、驅(qū)動器IC、封裝以及系統(tǒng)優(yōu)化。對于實際的批量生產(chǎn)，組裝和測試也是非常重要的。目前，SPM已將自身定位于最強(qiáng)大的低功率電機(jī)驅(qū)動逆變器解決方案，而其發(fā)展將會越來越快。

作者：DAE-WOONG CHUNG

運(yùn)動控制解決方案小組研發(fā)主管

BUM-SEOK SUH

運(yùn)動控制解決方案小組總監(jiān)

SPM研發(fā)部

飛兆半導(dǎo)體公司