超快恢复FRED开关模块工艺结构优势及应用技术

孙祥玉

常州瑞华电力电子器件有限公司 常州市 213200

摘要：超快恢复FRED模块的工艺结构优势，采用混合集成技术把6个超快恢复二极管强外延芯片和一个大功率晶闸管（SCR）芯片按一定拓扑电路拓扑连成后，共同封装在一个散热板为无氧紫铜 ，外壳为PPS工程塑料外壳内制成，其中6个FRED芯片联成三相整流桥，而晶闸管串接在三相桥的直流输也正端上。阐述它的特性参数和应用领域内功效，如节电、节材、保护环境、提高产品质量和提高生产效率等。

关键词：超快恢复模块（FRED）； 陶瓷覆铜板（DBC）；集成技术；工艺结构 ；制作技术

1、模块的结构设计特点

1.1超快恢复FRED开关模块为6个超快恢复二极管（FRED）和一个大功率晶闸管（SCR）模块，电路如下图为6个超快恢复二极管（FRED）和一个大功率晶闸管（SCR）模块，

通流在75A-100A之间采用W50L封装形式，通流在100A-250A之间采用W62封装形式。

1.2电气间隙与爬电距离设计

模块外壳设计时需要充分考虑模块电极间的电气间隙与爬电距离，避免电极之间出现拉弧等电气事故。设备中不等电位的裸导体之间，以及带电的裸导体与金属零、部件或接地零、部件之间的电气间隙和爬电距离。

1.3散热设计

模块设计时需要充分考量模块散热通道。W50L、W62模块工作时均为7只半导体管芯在一个周期内交替产生热量，需要考虑散热均匀性和时效性，管芯成对称分布较为理想，同时管芯之间需要留足充分的距离，考虑到晶闸管工作中发热量最大，特意设计在边缘，避免热量叠加。

1.4结构应力设计

模块在使用时通常不可避免会有安装扭力，在灌封材料上已经对电极支架做了固定，但从设计角度出发尽量避免扭力对模块内部芯片造成损伤，因此W50L和W62模块支架结构上我们设计梯台结构，同时支架焊接前做了去应力退火处理。

2主要应用领域、技术参数

本项目模块主要用于大功率高频开关器件(如IGBT、功率MOSPET、ICCT 等)，制成的带直流环变频装置，如调压调频变频器(WVF)、不间断电源UPS、高频逆变焊机、开关电源(SMPS) 以及间服电机驱动放大器等装置内。目前，在上述装置内，大部分采用分立的普通三相整流桥模块和机械接触器来完成向装置提供直流电源和短接充电电阻的功能。这样，由于普通整流二极管的反向恢复时间长(微秒)，反向恢复峰值电流大，再加整流桥输出端接电容，因此，造成输入电流波形畸变十分严重，谐波污染很厉害，从而使EMI滤波器内电抗器和电容器的体积庞大，价格较贵， 装置成本提高，而可靠性却下降，同时，旁路充电电阻的机械接触器(K),由于开关时带电弧以及工作场所环境潮湿或带粉尘等多种因素等影响，使接触器的触头经常损坏，因而造成变频装置工作寿命短，稳定性差，可靠性低，大大加大了装置的成本。

3、模块的制作工艺

FRED整流桥开关模块（W50L、W62）主要研究开发内容

3.1散热底板采用外凸设计

由于模块内部采用很多种不同结构材料，它们的热膨胀系数都不一样，如铜的膨胀系数为16.7*10-6/℃，而硅的热膨胀系数为4.2*10-6/℃，这样如果没有过渡材料，将使模块经高温（300℃以上）和低温（230℃以下）的二次焊接后，最终将使硅芯片因应力而损坏，我们采用了高导热、高绝缘强度，且易焊和机械强度高、热膨胀系数很接近硅芯片的氮化铝（AlN）陶瓷覆铜板（DBC板），它的膨胀系数约为5.6*10-6/℃，使焊接后各材料间的应力最低、热阻最小，从而避免了硅芯片的碎裂，大大提高了模块的可靠性。为了解决铜底板和DBC板间的大面积焊接，除采用参有磷、镁的铜银合金和尽可能缩小DBC板尺寸外，并在焊接前对铜底板进行一定弧度的预弯，这种焊接后尚存有一定弧度的焊成品，当模块压装在散热器表面时，由于压力使之模块铜底板与散热器之间有充分接触，有利于导热。

3.2高频化设计

由于FRED整流桥开关模块工作于高频（25KHZ以上）变频器和高频逆变焊机内，各种干扰及EMI问题就会出现，噪声亦会随之增加，使模块内部的寄生电感也增加，因而使电路产生寄生振荡和尖刺电压，不利于高频开关器件和FRED器件的工作，并往往因过电压而使它们损坏，根据模块结构和内部接线方式，利用电磁学原理，合理分布走线和主电极的形状和内部布局的对称性，以及键合铝丝长短分布和走向的设计，使模块内部的分布寄生电感量减到最小。

4、结束语

根据超快恢复二极管整流开关模块是由快恢复二极管和晶闸管组成的特点，采用计算机模拟设计方法，根据模块电流、电压等参数要求，选择超快恢复二极管芯片的规格，外形尺寸以及结构特点，同时也对晶闸管的外形尺寸和门极结构进行选择，由此设计DBC版的印刷电路图形，芯片的位置以及铜连线的走向宽度，由此定位出主电极焊接的位置及走向。同时根据本公司长期生产晶闸管、快速晶闸管、快恢复二极管和双向晶闸管模块的设计技术、工艺技术、制作经验和各种设备基础，对FRED整流桥开关模块采用高、低温氢、氮混合气体保护的二次焊接工艺，采用隧道炉一次焊接和热板炉二次焊接方法，同时采用超声铝丝键合工艺以及硅像胶、双组份弹性硅凝胶和环氧树脂等三重保护技术。为解决高频（25KHZ以上）带来的各种噪声和电磁干扰（EMI）问题，以及保证模块有良好的散热和较低的接触电阻，为了解决各种材料因膨胀系数不同，因焊接而引起的应用问题。采用了DBC陶瓷板作为铜和硅芯片之间的过渡材料，并很好的解决了模块的电经缘问题。采用铜底版预弯技术，解决了大面积铜底板与DBC板之间的焊接问题。采用元器件位置的对称性安排及走线、布线优化安排方式以及不同开关电极的采用，使模块的寄生电感量减到极小，解决EIMI和各种干扰问题。

目前,超快恢复.二极管模块已广泛用于高频电力电子电路,已成为主要高频器件之一, 它的使用技术比较成熟, FRED模块已在高频逆变焊机,大功率开关电源,高频快速充电器以及高频调速装置等场合批量使用。使整机的机械结构紧凑、简化、 体积缩小、重量减轻、节电、节材、可靠性提高, FRED模块已成为高频逆变电路和斩波电路不可缺少的关健配套器件,随着我国政府节能政策的进一步落实 , FRED模块必将获得更大的发展。

参考文献：

1、颜辉、吴济钧.超快恢复二极管模块的制作技术[J]现代焊接杂志，2008(5)， 22-24

2、孙祥玉,颜廷刚.常州瑞华电力电子器件有限公司[M].2014年修订第十版

3、刘增金.电力电子技术的发展及应用研究[J].电子世界.2011(11).