第3代寬禁帶功率半導體模塊封裝形式與模塊清洗介紹
隨著新興戰略產業的發展對第3代寬禁帶功率半導體碳化硅材料和芯片的應用需求,國內外模塊封裝技術也得到迅速發展,追求低雜散參數、小尺寸的封裝技術成為封裝的密切關注點,國內外科研團隊和半導體產業設計了結構各異的高性能功率模塊,提升了SiC基控制器的性能。
(1) 傳統封裝:Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用傳統Si基封裝方式,功率等級較低,含有金屬鍵合線,雜散電感較大。
(2) DBC+PCB混合封裝:Cha等[16]和Seal等[17]把DBC和PCB板進行整合,通過鍵合線連接芯片和PCB板,研創出DBC+PCB混合封裝。實現了直接在PCB層間控制換流回路,縮減換流路徑來減小寄生電感。
(3) SKiN封裝:德國Semikron公司采用納米銀燒結和SKiN布線技術,采用柔性 PCB板取代鍵合線實現芯片的上下表面電氣連接,模塊內部回路寄生電感僅為1.5 nH[18]。
(4) 平面互連封裝:通過消除金屬鍵合線,將電流回路從DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的層間布局,顯著減小了回路面積,降低了雜散電感參數,如Silicon Power公司采用端子直連(DLB)[19]、IR的Cu-Clip IGBT[20]和Siemens的SiPLIT技術[21]等。
(5) 雙面焊接(燒結)封裝:在功率芯片兩側焊接DBC散熱基板,為芯片上下表面提供散熱通道;或者使用銀燒結技術將芯片一面焊接DBC,另一面連接鋁片。雙面散熱既能優化基板邊緣場強,還能夠降低電磁干擾(EMI),減小橋臂中點的對地寄生電容,使其具有損耗低、熱性能好、制造成本低等優點。橡樹嶺實驗室、中車時代電氣、天津大學和CPES等可以將寄生電感降低至5 nH。同時,銅燒結作為一種更低成本的芯片連接方案更被視為是未來幾年的研究熱點。目前雙面散熱技術主要應用在新能源電動車內部模塊[22-23]。
(6) 壓接封裝:壓接型器件各層組件界面間依靠壓力接觸實現電熱傳導,分為凸臺式和彈簧式兩類。與焊接型器件相比,壓接封裝結構模塊具有高功率密度、雙面散熱、低通態損耗、抗沖擊能力強、耐失效短路和易于串聯等優點[24],而且采用數量較少的壓接型模塊便可滿足換流時電壓等級和容量需求[25],但由于密封等要求多采用LTCC陶瓷設計,成本較高,且壓接封裝結構復雜,目前只用于高壓模塊的制造,具有一定的應用市場。但離汽車領域的實際應用尚有一定的差距。
(7) 三維(3D)封裝:Tokuyama等[26]和Herbsommer等[27]將SiC模塊的上橋臂直接疊加在下橋臂上,由于SiC模塊的結構是垂直型的,可以大幅縮短換流回路的物理長度,以進一步減少與di/dt相關的問題。目前該封裝技術最大的優勢是可以將模塊寄生電感降至1 nH以下。還有將電壓波動最大的端子放置在三維夾心結構的中間,使端子與散熱器之間的寄生電容急劇降低[28],進而抑制了電磁干擾噪聲[29]。
功率模塊的典型封裝結構剖面圖如圖1所示。
IGBT功率模塊清洗
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