大功率集成固态功率控制器（SSPC）工艺研究

大功率集成固态功率控制器（SSPC）工艺研究

许允亮,行晓曦,李卫红

（西安卫光科技有限公司  陕西省西安市  710065）

摘要：

随着航天事业的发展，新一代航天器规模跃越来越大，相应的电子设备也随之增多，设备用电需求变得更加复杂，供配电系统也在不断地由传统式向着智能化方向发展。固态功率控制器配电方式因其重量轻、体积小、自动化程度高等优势正逐步取代传统的常规与遥控配电方式。

关键词：  SSPC   

1、引言

随着电力电子系统电压电流等级越来越高，具有高功率密度、高可靠性多芯片功率模块应运而生。多管芯功率模块是集功率半导体器件以及相关的驱动控制电路于一体的多功能模块。基于多芯片功率模块的大功率集成固态功率控制器（SSPC）是固态配电开关未来的发展趋势，将SSPC的主功率芯片与控制电路采用集成化封装技术集成到功率模块内部，大大提高SSPC的功率密度、散热性能。

2．固态功率控制器国内外研究发展与现状

固态功率控制器的发展与飞机配电系统的发展是密不可分的，在国外（尤其是美国），SSPC已经经历了一定得发展阶段。20世纪60年代初，美国就试图将SSPC应用于飞机的配电系统，到60年代末，美国对SSPC的研究已经取得了很大的进展，并通过将SSPC应用到飞机上控制个别负载证明了SSPC的可行性。随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术与计算机技术的发展，美国又提出综合电源与航空电子信息系统，其中，电气系统与电子系统共享数据总线，通过余度数据总线传送全部的配电控制信号。

目前国外对固态功率控制器的研究已经趋于成熟，美国DDC公司和LEACH公司生产的直流固态功率控制器系列产品已经具有良好的性能并应用到某些机型中。而国内固态功率控制器的研究起步较晚，技术比较落后。目前，国内所研制的固态功率控制器实现了固态功率控制器的一般功能，仍需进一步提高。

3．自主研发大功率集成化SSPC

自2017年11月，经某单位技术反馈，在整机调试中经常有塑封MOS管烧毁现象，故要求我公司能给予技术分析与提供解决方案。在充分评估用户电路图及使用工况下,结合我公司功率模块产品的科研生产能力,提出为用户开发定制开发一款功率集成模块,将用户原有的PCB组装形式重新设计为裸芯片封装结构。

集成功率模块的研制，就目前功率器件发展水平而言，单个功率芯片不能满足大功率SSPC开关大电流负载的需求，为提高SSPC功率等级，集成SSPC功率模块必然采用多功率芯片并联的方式。功率裸芯片数量众多，在有限的空间内其布局很难做到完全堆成，因此必然存在多功率管芯不对称的寄生参数，从而导致瞬态开关过程的不均流。以及通过对DBC版图的设计提高模块的散热性能和可靠性，降低电源内部元器件的损耗和温升，高压、低压时的温度分布，短路、过热时的温度分布等，针对以上问题开展设计研究。

4.工艺设计难点：

4.1基材的选择与版图设计

功率模块封装解决方案正朝着高性能材料、减少层数、缩小尺寸和减少界面

的方向发展，同时电气、热和机械特性不会变差。在衬底选择方面，功率模块封装最常见的选择是96%AL2O3DBC。通过优化DBC版图、添置阻焊带，有效对芯片进行定位并阻隔器件之间烧结后焊料溢出，防止器件短路。采用真空烧结将管芯、DBC、组件及电阻、电容等材料烧结为一体，以及采用超声键合联结电路，保证集成功率模块功能的实现并能可靠投入使用。

4.2热平衡设计

该模块采用DBC陶瓷覆铜板，将DBC分割为独立的4部分。功耗电阻、电容

较多，集中设计在一个独立区域，三组单元MOS管均匀分布在其他三个区域，确保产品在工作时，每块DBC上的器件能均匀散热，避免热集中造成器件烧毁。

产品在满功率试验状态下，采用红外线热传感器对模块底板上的多点区域进行温度监测，多点温度分布均衡，热设计合理，达到热平衡效果.(见图1、2)

                   图1                图2

4.3混合封装工艺

该模块为有源、无源混合封装工艺，有焊料片真空烧结工艺替代阻容的锡

膏工艺。经历三次温度梯度烧结，确保每个器件参数性能良好。

集成功率模块烧结分为三步进行：管芯烧结、组件烧结及阻容烧结。选取有阶梯熔化温度的三种进口焊料片（焊料片成分见表1），管芯烧结采用较高液相固相线的铅锡银焊料片，再进行第二步组件烧结焊料不会再次熔化影响烧结质量，而组件烧结则采用较低熔化温度的铅锡银焊料片。

表1

管芯烧结工艺采用真空烧结工艺，通过设计最佳温度曲线，有效降低空洞个体大小与整体空洞率，减小热阻，提高产品可靠性。阻容烧结工艺也为首次开发，通过对电阻及电容的烧结性能的了解，阻容烧结最高温度为230ºC，恒温时间小于90s。所以在设定烧结温度曲线时必须将烧结温度控制在阻容烧结温度之内，保障阻值性能。经烧结工艺温度曲线多次调整试验及感官观察烧结情况，最终开发出烧结阻容的最佳温度曲线进行烧结，电阻、电容四周焊料饱满，无缝隙、无孔洞。

5.结论

通过工艺技术的研究，形成小批量试制。在其整机上使用后，满足用户使用要求，用户对产品结构、电参数均表示满意。并且简化生产工艺，而且极大地提升产品的质量可靠性。集成功率模块性能与塑封印制电路板状态一致，并实现集成化、小型化、高可靠性能，该产品可实现原位替代。

参考文献：

 [1] Temple, Victor, J Waldron, F Holroyd, S Almarayati, and J Azotea. 2013 (PPPS 2013). Proc. of Pulsed Power Conference, San Francisco, CA. IEEE, 21 June 2013. Web.［13］

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[3]董维智.DBC绝缘导热基板的研究[J].电子工艺技术，1997,18（4）：161-163

[4]赵东亮，高岭. 功率模块用陶瓷覆铜基板研究进展.真空电子技术,2014-5:17-24