芯耀
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近日，英國華威大學(xué)工程學(xué)院和重慶賽力斯鳳凰智創(chuàng)科技（ 賽力斯子公司 ）發(fā)表了一篇題為《基于碳化硅 MOSFET 的超低雜散電感雙面散熱無鍵合線半橋模塊設(shè)計》的論文。
賽力斯團隊開發(fā)了一種新型雙面散熱、無引線鍵合的半橋功率模塊的設(shè)計，該模塊采用了銀燒結(jié)技術(shù)和碳化硅 MOSFET，該模塊具有幾個優(yōu)勢：
一是模擬雜散電感低至4.7nH，兩并或五并的雜散電感可分別降至2.4nH和0.9nH。
二是與單面散熱模塊相比，該雙面散熱功率模塊的結(jié)溫降低了30° C。極端工況下，結(jié)溫 (Tj) 約為199° C，比單面設(shè)計低39° C。
該文獻還詳細介紹了該模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝工藝流程，感興趣的朋友可以聯(lián)系葉知秋（微信 hangjiashuo888 ）獲取該文獻。
雙面散熱模塊的優(yōu)勢
在設(shè)計和構(gòu)建功率模塊時，需要考慮兩個重要因素：芯片連接方法；內(nèi)部電路互連和布局。
傳統(tǒng)功率模塊的芯片連接主要使用采用引線/焊帶鍵合技術(shù)，但這兩種方法都會承受相當(dāng)大的機械應(yīng)力，從而限制模塊的使用壽命。
相比之下，無引線鍵合設(shè)計優(yōu)勢更明顯：
一是在功率循環(huán)測試中可以大幅改進模塊性能；
二是可以大幅降低寄生電感，從而實現(xiàn)了更快的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗，從而降低了結(jié)溫。
更低的電感和更低的損耗是開發(fā)更緊湊的功率模塊封裝的關(guān)鍵所在，并且能夠提高電動汽車的效率、可靠性和使用壽命。
三是無引線鍵合設(shè)計為模塊兩側(cè)的連接提供了更好的機會，更容易實現(xiàn)先進的雙面散熱設(shè)計。
與傳統(tǒng)方法相比，雙面散熱方案具有卓越的電氣和熱性能。器件與散熱液之間的熱阻 (Rth) 可降低50%，這意味著可以更有效地散熱，并實現(xiàn)更高的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 頻率。
研究案例顯示，當(dāng)結(jié)-殼熱阻Rth(j-c) 從0.4 K·cm2/W 降低到 0.2 K·cm2/W時，假設(shè)芯片尺寸相同，額定電流可提高61%。
賽力斯模塊的結(jié)構(gòu)
賽力斯這款雙面散熱半橋模塊主要構(gòu)成包括：AMB基板、定制銅連接器、SiC MOSFET裸片（意法半導(dǎo)體SCT110N120G3D2AG）以及電源和信號連接器。與單面散熱方案不同，這種雙面設(shè)計在電路中采用了兩塊AMB基板，形成三明治結(jié)構(gòu)，芯片位于中間。AMB基板的頂部銅厚為0.3 mm，Si3N4基板厚度為0.32 mm，背面銅厚為0.3 mm。
AMB基板的頂部（左）和底部（右）?該模塊的設(shè)計有幾個要點：一是將柵極觸點放置在靠近SiC MOSFET芯片的位置，以盡量減少雜散電感；?二是將從SiC MOSFET的芯片到源極接觸的電流流動方向與從漏極到芯片的電流流動方向相反，以減少雜散電感；?三是使用開爾文源接觸作為柵極信號，可有效減少寄生電阻并減少誤開關(guān)事件。?該模塊使用小銅塊來連接兩個AMB基板，從而方便半橋電路中上下橋臂SiC器件之間的互連。該團隊研究表明，與傳統(tǒng)的鍵合引線或鍵合銅夾片相比，這種銅連接器可以顯著降低雜散電感。
定制銅連接器的輪廓圖（左）、側(cè)面圖（中）和頂部圖（右）?受限于實驗室的封裝能力，該研究中的兩個AMB基板之間的距離設(shè)計為4毫米，從而能夠在最小化雜散電感和解決實際封裝問題之間取得平衡。該功率模塊中的SiC MOSFET、電源和信號連接器如下圖所示，這兩個連接器的選擇是基于市場供應(yīng)情況。
SiC MOSFET（左）、信號和電源連接器頂視圖（中）和輪廓圖（右）
賽力斯模塊封裝工藝流程
下圖是雙面半橋功率模塊的構(gòu)造演示，而非實際封裝工藝流程：
第一步，將上橋臂和下橋臂的SiC MOSFET芯片連接到AMB基板上。
第二步，將定制的銅塊燒結(jié)到SiC MOSFET芯片的源極焊盤上。
第三步，將信號和電源連接器以及定制的柵極銅塊連接到兩個基板上。
最后一步，將右側(cè)的基板翻轉(zhuǎn)并與左側(cè)的基板對齊。
最終的模塊封裝結(jié)構(gòu)如下：
頂視圖（左）、側(cè)視圖（右）
在設(shè)計大功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)時，必須始終考慮絕緣性能。該功率模塊適用于800V電動汽車應(yīng)用，根據(jù)IEC 62368標(biāo)準(zhǔn)，在污染等級1（QSIL 550 封裝）下，800V的最小加強絕緣厚度為0.5mm。信號和電源路徑（柵極到源極）之間的最小距離設(shè)計為1.06 mm，而電源路徑（漏極到源極）之間的距離設(shè)置為2 mm。上下 AMB 板之間的間距取決于銅塊的高度，由于實驗室的封裝能力有限，因此選擇了4 mm的間距；但在未來的迭代中，該間距可以減小到2 mm。
賽力斯模塊的性能測試對比
這次展示的設(shè)計中，上下支路均采用單顆芯片。Ansys Q3D 仿真結(jié)果顯示，該雙面模塊的雜散電感在5 MHz時達到約4.7 nH。模塊雜散電感路徑：上橋臂（左）和下橋臂（右）?賽力斯的模塊采用可擴展設(shè)計，當(dāng)擴展到兩顆或五顆并聯(lián)芯片時，雜散電感可分別降至2.4 nH和0.9 nH，這表明該功率模塊設(shè)計實現(xiàn)了超低雜散電感。
由于大功率SiC雙面散熱模塊在市場上尚未普及，因此他們選取了一款最新的SiC單面散熱半橋模塊和一款IGBT雙面散熱模塊進行比較。
根據(jù)Ansys Icepak測試結(jié)果，在功率損耗基本相同（均為156.5 W）的情況下，單面散熱模塊中SiC MOSFET芯片的結(jié)溫達到約138°C，而雙面散熱模塊中SiC MOSFET芯片的結(jié)溫約為108°C，因此雙面散熱模塊的散熱效率更高，結(jié)溫降低了近30°C。
盡管單面模型的針翅散熱片表面積約為雙面模型（單基板）的2.8倍，但雙面設(shè)計仍然更高效。在峰值電流下連續(xù)工作，開關(guān)頻率高達16 kHz，總損耗為323.5 W，這時單面設(shè)計的結(jié)溫 (Tj) 達到238°C，超過了功率芯片的工作范圍（-55°C至200°C）。相比之下，雙面設(shè)計的Tj約為199°C，比單面設(shè)計低39°C。結(jié)果表明，雙面設(shè)計可以在極端功率損耗條件下工作。
該團隊表示，在某些條件下，在標(biāo)準(zhǔn)最大結(jié)溫以上短時間運行是可以接受的。英飛凌、安森美和 ROHM等頂級制造商明確保證在175°C至200°C之間的有限時間內(nèi)（通常為十小時到數(shù)百小時）安全運行，而不會影響器件可靠性。，這些裕度是為了處理不常見但劇烈的瞬變。此外，意法半導(dǎo)體的TPAK系列等新一代SiC模塊已達到Tj = 200°C的額定連續(xù)工作溫度，這反映了行業(yè)向更高耐熱性邁進的趨勢。因此，盡管這次模擬的199°C Tj幾乎達到了200°C的閾值，但它僅發(fā)生在罕見的短暫事件中，并且完全在主要SiC器件制造商定義的熱性能范圍內(nèi)，從而確保系統(tǒng)可靠性不受影響。
不過，這款雙面模塊的封裝工藝比單面模塊更復(fù)雜：首先，單面模塊的封裝通常只需一次回流焊工藝，而在大學(xué)實驗室條件下，封裝雙面模塊可能需要多次回流焊。其次，單面封裝的封裝壁構(gòu)建要簡單得多，而雙面封裝中的封裝材料由于要在散熱器焊接前進行注入，可能會承受更高的溫度。最后，雙面模塊的每一層在回流焊過程中都必須保持水平，以防止任何斷開。
本文發(fā)自【行家說功率半導(dǎo)體與新能源】，專注新型功率半導(dǎo)體、新能源（汽車、光儲充等）行業(yè)觀察。
