无处不在的TO-247封装因其相较于其他分立封装具有卓越的高压处理能力，至今仍是高可靠性应用中电力电子技术的基石。尽管表面贴装(SMT)和顶面冷却封装的市场份额不断增长，TO-247仍保持着分立功率器件的主导市场份额[2]，并将随着牵引逆变器、充电器、储能、太阳能/风能逆变器、数据中心电源和工业电机驱动等应用的增长而继续发展。

标准TO-247变体需要外部电气绝缘材料来安全安装散热器。这些绝缘材料会带来显著的热损耗。本报告评估了一种先进的TO-247封装的散热性能，该封装内置了直接敷铜(DBC)[3]陶瓷绝缘元件(具体而言，是提供2.5kV隔离的氮化铝(AlN)基板)，并将其与使用外部热/电隔离接口材料的标准非隔离TO-247进行了比较。

热建模和实验测量表明，与使用绝缘垫的标准TO-247器件相比，其结到散热器的热阻降低了约60%。这一改进使结温降低41%，并带来显著的系统级优势，包括提高功率密度、减少散热器需求和简化组装。

ISOMOS – 带有高性能集成陶瓷DBC元件的TO-247封装

采用SIC mosfet等宽带隙器件的动机是实现更高的功率效率和更高的功率密度，以构建更紧凑的系统。传统的TO-247封装在次优的热性能方面对此构成了挑战。标准TO-247封装具有一个导电基板(通常处于MOSFET漏极电位)，用于安装到冷板/散热器上。出于电气安全(即降低触电危险)和改善噪声容限的目的，理想情况下应将安装基板与散热器电气隔离，尤其是在多个器件在不同电位下工作的情况下。

这通常是通过导热但电气绝缘的陶瓷、云母或类似的热界面材料(TIM)来实现的。这些元件常常使组装复杂化，并增加从封装到散热器的热阻，从而影响热性能。另一种方案是，APC Electronics(APC-E)的ISOMOS封装[1]将热电隔离层移到了封装内部。该DBC采用高导热陶瓷——氮化铝(AlN)，通过高温氧化工艺将铜键合在陶瓷基板的两侧。与用于隔离的外部热界面材料(TIM)相比，这创造了一条从硅芯片到散热器的更短、更高效的热路径。

在陶瓷绝缘材料中，AlN的导热率最高，约为200W/m·k。其导热率约为氧化铝的6倍，约为同样常用于隔离的氮化硅的2.5倍。此外，ISOMOS提供符合UL 1557标准[4]的、经过保证和测试的2.5kV RMS隔离电压。尽管ISOMOS和标准TO-247具有完全相同的外部尺寸，但它们的内部结构却大相径庭。

参考图1，标准TO-247需要外部电气绝缘箔，而ISOMOS只需涂覆一层薄薄的导热硅脂来填充散热器与背面基板之间的任何微观空隙。无需外部绝缘垫简化了组装，并能够实现更一致的自动化制造，因为它是一种工程化解决方案，而非手动组装。与ISOMOS不同，标准TO-247需要手动贴敷箔片及相关材料，这会因绝缘垫对位不准和/或压力不均而引入误差。

图1

ISOMOS的性能和质量优势

总之，我们发现ISOMOS具有以下优势：

更低的热阻 ⇒ 更好的散热性能

内部DBC提供了从芯片/封装基座到散热器的坚固、高导热的铜-陶瓷路径，使SiC MOSFET能够更冷运行。另请注意，热隔离垫/箔在性能和长期稳定性方面差异很大。

提高的可靠性和长期稳定性

降低的热应力可以增加器件寿命，或允许每个器件通过更高的电流/功率。更低的芯片温度(例如，DBC方案中的温度比TIM方案低20–30°C)意味着更高的可靠性;一个常用的可靠性经验法则是，结温每降低10°C，故障率减半(阿伦尼乌斯加速模型)。

出色的热膨胀系数(CTE)匹配。 – ISOMOS隔离封装中的氮化铝(AlN)陶瓷经过专门设计，旨在最大限度地减少与碳化硅(SiC)芯片的热膨胀系数(CTE)失配。

简化组装并降低长期重复性人工成本

无需切割/对齐垫片、涂抹硅脂、检查垫片放置位置/平整度——更简化的组装流程。一旦实施，每个器件可节省人工及相关成本。减少组装步骤可降低人为错误(错位、扭矩不当、硅脂涂抹不均匀等问题)的机会，从而提高良率并减少返工。

系统级优势

由于散热效率更高，可以减少器件数量(每个器件电流更高)。此外，散热器尺寸、冷却系统或降额余量得以缩小——降低总体系统成本/尺寸/复杂度，从而提高功率密度。

由于共用散热器，降低了寄生漏极到散热器的电容，从而改善开关性能并减少电磁干扰(EMI)。对于 rugged 应用(汽车、工业)，改进的散热和隔离可靠性增加了产品寿命——这对保修、维护、品牌声誉至关重要。

系统整体效率将基于一个简单事实而得到提升：SiC MOSFET 在较低结温下具有较低的导通电阻。

规模化下的成本优势

即使封装本身有少量额外成本，对于多器件系统而言，一旦计入重复性的组装成本以及垫片/硅脂材料成本，集成的 DBC 方案比使用垫片+硅脂+人工的方案更便宜。许多系统使用超过48个MOSFET，这进一步增加了系统复杂性和成本。

系统散热性能比较 – ISOMOS™ 对比 标准TO-247

为了展示 ISOMOS 的散热优势，我们对 ISOMOS、标准非隔离 TO-247 以及一种流行的 TIM 进行了比较。选择了一种热导率为 1.8W/m·k 的材料作为与非隔离 1200V、13mΩ、TO-247 封装一起使用的 TIM，并将其与 ISOMOS 系列中额定值相似的器件进行了比较。请参阅表1，其中对测量和计算的热阻进行了比较。

作为参考，让我们回顾一下图2所示的基本热欧姆定律。

图2

热欧姆定律：Tj - Ta = P(损耗) * (Rjc + Rcs + Rsa) 其中，

Tj = 结温。热源。

Ta = 环境温度

P(损耗) = MOSFET 功率损耗

Rjc = TO-247 封装的结到壳热阻

Rcs = 通常是某种形式的 TIM 和/或硅脂

Rsa = 散热器的散热器到环境热阻

Tj - Ta 代表系统的总热预算。热阻累加会减少可用预算，设计人员的工作就是尽量减少这种累加。ISOMOS 的热阻显著低于使用外部隔离材料的标准 TO-247，为增加功率密度提供了更大的余量，或者在保持相同功率密度的情况下降低系统成本和 SiC 开关的结温。

我们将使用一种标准方法来比较此处使用的硅胶垫等热界面材料(TIM)的热阻抗 Rθ(垫)。

Rθ(垫) = Zθ/A，其中 Zθ 是热阻抗规格，A = TO-247 封装的热垫接触面积。

对于该硅胶垫，根据数据手册，在 25psi 下，Zθ = 0.28 (°C·in²/W)。

对于 TO-247，我们假设接触面积 A = 0.33 in²。

Rθ(垫) = Zθ/A = 0.28 (°C·in²/W) / 0.33 in² = 0.85 °C/W。

我们将图3封装中的结到壳热阻与 Rθ(垫) 相加，得到总的热堆叠(结到散热器)Rθ(js)。

图3

Rθ(js) = Rθ(jc) + Rθ(垫) = 0.13°C/W + 0.85°C/W = 0.98°C/W，这与测得的 1.06°C/W 值相关。在 50V 漏极电压下施加 1.5A 的加热电流，使 MOSFET 的耗散功率 Pdiss 达到 75W。如图4所示，将热电偶放置在散热器和芯片结上以精确测量温度。

图4

表1所示的结果证明了 ISOMOS 的热优势。仅使用薄薄一层 Aavid Ther-o-Link 导热硅脂将器件正确安装到散热器上，结温就显著降低了 41%。在 111°C 时，最高工作温度接近超过推荐工作条件。超过此温度，系统可靠性可能会受损。而 ISOMOS 将温度保持在 79°C，完全在正常工作条件之内。

表1

图5

此外，46°C 的温差(如前所述)消耗了更少的热预算，并增加了热余量，可在设计阶段用于在不增加额外成本的情况下提高相同系统的输出功率。或者，可以考虑利用这一优势来减小系统尺寸(包括根据更小的功率损耗来设计散热器)，或者提高开关频率以使用更小的电感和电容。

使用 ISOMOS 提高输出功率

例如，在将输出功率扩展到 20kW 时，ISOMOS 的优势变得更加明显。利用测得的热阻值，创建了一个模型来估算功率损耗。在 20kW 输出水平下，假设效率为 98.5%，则功率损耗为 300W。

根据图2中的热欧姆定律，我们可以估算出，使用相同的 1200V、13mΩ MOSFET 但采用集成陶瓷 DBC，在相同的外壳内，系统输出可以增加到 30kW 以上，如图5所示。此类系统中额外的热余量也可用于减少每个开关位置并联的 MOSFET 数量，从而显著降低系统成本和尺寸。

总结与结论

为了满足 SiC MOSFET 等宽带隙(WBG)半导体不断提高的功率水平需求，工程师需要仔细考虑采用先进封装来提高功率密度。本文证明，APC-E 的 ISOMOS 凭借其集成的高导热率直接敷铜(DBC)陶瓷元件，可以帮助设计人员解决这些问题，而无需转向昂贵的模块。

与标准的非隔离 TO-247 相比，ISOMOS 已被证明能显著降低结到散热器的热阻，在 75W 功耗下，结温降低了 32°C。当将此优势扩展到更高功率水平(例如 20kW)时，我们看到集成 DBC 的 ISOMOS 在相同占位面积下可提供约 60% 的功率。

利用额外的热余量，设计人员现在可以为给定的输出功率选择成本更低但 Rds(on) 更高的 MOSFET，或者减小散热器尺寸(伴随着更低的损耗)，从而提高功率密度。

除了前期成本外，ISOMOS 还能带来显著的可靠性和散热优势，从而降低生命周期成本。集成的陶瓷 DBC 提供了稳定、低阻抗的热路径，并与 SiC 芯片具有出色的 CTE 匹配，避免了硅胶垫蠕变、硅脂泵出以及随时间和扭矩变化而发生热退化的问题。

这带来了更低且更稳定的结温，增强了热循环鲁棒性，并降低了维护或现场故障风险。本质上，APC-E 的 ISOMOS 有助于将非常流行的高功率 TO-247 封装的传统延续到未来。