電動汽車多合一動力總成對功率模塊提出了更高的要求，翠展微電子研發(fā)副總吳瑞先生在2023年6月29日舉辦的IGBT 產(chǎn)業(yè)論壇上，分析了功率模塊的發(fā)展趨勢、先進(jìn)功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)及車規(guī)功率模塊封裝工藝痛點，并提出了翠展的創(chuàng)新解決方案——一體化逆變磚模塊解決方案。
功率模塊封裝的發(fā)展趨勢
1975年，Semikron推出了全球第一款功率模塊，歷經(jīng) 48 年的發(fā)展，目前功率模塊基本上分為兩大封裝類型，一種是單面露銅和雙面露銅的塑封結(jié)構(gòu)，另一種是英飛凌推出的比較經(jīng)典的 HPD系列的框架型模塊，隨著以客戶端應(yīng)用為導(dǎo)向的發(fā)展趨勢，定制化開發(fā)將逐漸成為模塊開發(fā)的主流。
模塊的性能也在追求更加極致的低熱阻、低雜感、高密度、高可靠性和低成本，特別是近兩年在成本競爭方面內(nèi)卷嚴(yán)重。這對整個半導(dǎo)體行業(yè)提出了更高的要求。如何通過創(chuàng)新提供高性價比的功率半導(dǎo)體？一般可以從兩個方面入手，一個是芯片，一個是模塊封裝，本篇主要針對模塊封裝方面，分享翠展微的創(chuàng)新解決方案。
先進(jìn)功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)
無論框架型模塊基本結(jié)構(gòu)，還是塑封型模塊結(jié)構(gòu)，主要為半導(dǎo)體芯片提供四個方面的功能：電氣連接、機械支撐、散熱途徑和環(huán)境防護(hù)。在提供這四個功能同時也引入了一系列的問題，包括寄生參數(shù)（指寄生雜感、寄生電容的問題），連接問題（主要指芯片到DBC、DBC到外面的端子連接等信號端的震動問題、發(fā)熱問題以及接觸性問題），熱阻和界面失效。
針對上述問題當(dāng)今的先進(jìn)功率半導(dǎo)體技術(shù)主要研究以下三個方面：
●?連結(jié)材料（錫片、納米銀、瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接）：從芯片到DBC，從DBC到散熱器的連結(jié)材料，包括錫片、錫膏、納米銀、瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接等；
●?基板材料（AI2O3、AlN/Si4N3、IMB）?：包括最早通用的氧化鋁材料，和近幾年開發(fā)的氮化硅、氮化鋁以及IMB 材料；
●?塑封材料（環(huán)氧樹脂、硅膠）：環(huán)氧樹脂、硅膠，還有整個模塊的外框結(jié)構(gòu)以及散熱器材料。
●?低溫?zé)Y(jié)工藝（壓力&無壓力）
●?端子疊層連接工藝（激光焊接）：比如銅帶焊接、鋁帶焊接、端子與外圍連接的激光焊接
通過有效的熱、電、力、磁的聯(lián)合仿真來設(shè)計高效率、高壓、高溫、高功率密度的模塊，最后進(jìn)行可靠性測試及失效分析。
總結(jié)起來，整個先進(jìn)材料開發(fā)以及先進(jìn)封裝工藝的研究，都在圍繞半導(dǎo)體模塊的四大性能解決一系列的問題。
①電學(xué)性能，包括雜感、電流均流、EMI、信號串?dāng)_，以及絕緣和爬電的問題；
②熱管理性能，主要研究穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱阻、比熱容、熱耦合的問題，以及整個冷卻系統(tǒng)的流體壓降，熱管理性能直接影響了整個模塊的可靠性。
③機械性能，主要是機械的抗震性以及系統(tǒng)高集成的設(shè)計。機械振動方面，采用超聲波端子焊和激光焊之后解決了汽車模塊對機械強度的要求，隨機振動10g，沖擊振動50g。
④可靠性，主要包括功率循環(huán)、溫度循環(huán)、高溫存儲以及高溫高濕的反偏問題等。
車規(guī)功率模塊雜感及熱問題
在車規(guī)功率模塊的雜感問題上，各大企業(yè)都研發(fā)推出了自己的解決方案，英飛凌的HPD 封裝模塊，單模塊雜感可以做到8-10nH；丹佛斯的DCM封裝雜感大概在7-8nH左右；ST 推出的TPAK封裝率先實現(xiàn)在特斯拉汽車上的應(yīng)用，雜感大概在4-5nH；2021年賽米控推出的eMPack模塊采用了雙面銀燒結(jié)疊層母排的設(shè)計，將雜感降低到 2.5nH左右。
從整個趨勢看，2-3nH雜感已到達(dá)極致，但是不能忽略整個應(yīng)用系統(tǒng)中的電容和母排，傳統(tǒng)模塊采用分立母排輸出端子結(jié)構(gòu)加螺栓連接，目前的水平只能做到 20nH，差一點的在 25 -35nH左右；通過疊層母排和激光焊接技術(shù)可以做到 10nH。通過對比可以得出，通過有效改善電容和母排的設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以縮減10-15 nH，貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模塊設(shè)計的貢獻(xiàn)，所以在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計時，要結(jié)合整個系統(tǒng)的雜感來看。
在車規(guī)半導(dǎo)體模塊熱問題的研究上，通過結(jié)溫和壽命的仿真分析，可以看到結(jié)溫每升高20℃，模塊的壽命會減半；△Tj 每升高10℃，模塊的壽命也會減半；結(jié)溫升高10℃，IGBT的開關(guān)損耗增加2%。Tj對IGBT器件的飽和壓降影響比較小，但是對開關(guān)損耗影響比較大。對碳化硅器件來說，結(jié)溫升高10℃，碳化硅導(dǎo)通損耗增加7%。所以碳化硅不適合在大電流的情況下應(yīng)用，它更適合中小電流、高頻的應(yīng)用環(huán)境，而IGBT更適合大電流的應(yīng)用環(huán)境。
車規(guī)功率模塊封裝工藝
目前電動汽車多合一動力總成集成度越來越高，從傳統(tǒng)的三合一到現(xiàn)在的八合一，也對功率模塊工藝提出了更高的要求，需要模塊有更高的功率密度、更低的熱阻，以此減少電機控制器的體積，降低整個模塊的溫升，同時提高系統(tǒng)的可靠性。
典型的框架式模塊結(jié)構(gòu)的熱阻主要由三大部分產(chǎn)生：①芯片到 DBC的熱阻，②芯片到散熱器的熱阻，③散熱器與冷卻介質(zhì)之間的熱阻。減少熱阻的方式通常有：
將普通的焊錫改成銀燒結(jié)，以及將陶瓷基板DBC從氧化鋁改為氮化硅等，大大降低熱阻，同時可以增加系統(tǒng)的可靠性和焊接的可靠性。但是缺點是成本增加的幅度較大，特別是陶瓷襯板氮化硅成本是氧化鋁的好幾倍。因此，非特殊的應(yīng)用場合，硅基IGBT很少應(yīng)用氮化硅材料，而是以氧化鋁為主。
主要是使用銅PINFIN結(jié)構(gòu)，能很好的降低熱阻，缺點是比增加了重量，因為銅的密度是鋁密度的三倍，但是它的導(dǎo)熱系數(shù)也是鋁的近三倍。但是使用銅PINFIN結(jié)構(gòu)和散熱器之間還存在的問題是密封面的可靠性問題，設(shè)計者很難仿真估算10?年以上的密封面的可靠性問題。
一體化高性能逆變磚模塊
為解決行業(yè)痛點，翠展微電子提出了一個創(chuàng)新解決方案，將DBC 直接燒結(jié)在散熱器上，使用一些銅鋁復(fù)合的材料，以及鋁鍍鎳等材料，去除了傳統(tǒng)的銅底板和導(dǎo)熱硅脂兩個封裝界面，可大大降低熱阻，與傳統(tǒng)方案相比，熱阻降低30%到40%，同時能夠減少重量、降低成本，提高生產(chǎn)的可靠性。
在此基礎(chǔ)上，翠展微電子提出了一體化逆變磚模塊結(jié)構(gòu)，將IGBT模塊直接燒結(jié)在散熱器上面，大大的降低了熱阻；母線電容與IGBT的端子采用疊層母排激光焊接；降低了寄生電感；把驅(qū)動封裝到模塊上端，取消模塊的上蓋結(jié)構(gòu)；在模塊上面集成電流采集，下一步還將在芯片上面集成電流采集。目前翠展微電子已經(jīng)陸續(xù)在 HP1、 DC6、HPD、TPAK的封裝上進(jìn)行了一系列的研究。
在HP1模塊上，翠展微電子針對型號為750V/400A的模塊進(jìn)行了研究和測試，通過仿真分析對比，銅底板從1mm增加到5mm后，對結(jié)溫的溫升有非常好的效果，因為銅的導(dǎo)熱系數(shù)是鋁的接近 3 倍，所以增加銅的用量會降低結(jié)溫，但是銅的增加會增加成本。對比同樣采用3mm銅底板的一體式焊接和傳統(tǒng)的涂抹導(dǎo)熱硅脂模塊，一體式焊接模塊溫升降低了接近10℃。
根據(jù)臺架測試，采用一體化工藝，模塊的結(jié)溫降低11℃，成本大幅度降低，重量實現(xiàn)了降低，且生產(chǎn)效率更高。
翠展微電子針對750V/600A DC6 模塊（PINFIN）也進(jìn)行了對比測試。首先是標(biāo)準(zhǔn)化圓柱形PINFIN，一體化模塊PINFIN結(jié)構(gòu)采用了鋁質(zhì)的材料，結(jié)溫比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形PINFIN增加了7℃，在此基礎(chǔ)上翠展微電子對PINFIN結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了比較通用的橢圓PINFIN的結(jié)構(gòu)，兩種模塊結(jié)溫都降低了 11℃左右，優(yōu)化后的橢圓PINFIN對比標(biāo)準(zhǔn)PINFIN結(jié)溫可以降低5℃，同時重量和成本也會有大大的降低。
結(jié)合這個研究結(jié)果，不同散熱器翅柱結(jié)構(gòu)對模塊的結(jié)溫、溫升以及熱阻有非常大的改善，翠展微電子通過對散熱器翅柱結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，通過研究不同形貌的PINFIN結(jié)構(gòu)，以及不同的PINFIN排布，發(fā)現(xiàn)水滴形的熱阻和壓降性能較優(yōu)，但是采用水滴形模組在實際應(yīng)用測試中的效果并沒有橢圓形的效果好，因為尾部回流區(qū)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。所以結(jié)合水滴形和橢圓形的優(yōu)點，翠展進(jìn)行了結(jié)合優(yōu)化。在同樣采用氧化鋁?DBC?的情況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)溫升可以降低?10℃左右。所以對散熱器效果影響較大的是翅柱的排布和形狀因素，且該因素不增加成本，相比于優(yōu)化陶瓷材料的方案來說，成本效益更大。
翠展微電子針對750V/950A HPD模塊進(jìn)行了測試研究，DBC氧化鋁結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)PINFIN仿真測試最大結(jié)溫接近146℃，但是實測的 170千瓦500A的工況下，結(jié)溫達(dá)到了接近151℃，仿真誤差接近3.3%。把DBC氧化鋁改成氮化硅材料后，在同樣的工況下測試仿真結(jié)果降低了接近9℃。優(yōu)化結(jié)構(gòu)PINFIN，結(jié)溫降低了17℃，最大溫差降低了 2.5℃。
翠展在客戶端對170千瓦三合一系統(tǒng)進(jìn)行了黑模塊臺架測試，測試的HPD750V950A模塊采用的是MPT第二代的技術(shù)，以及優(yōu)化后的PINFIN的結(jié)構(gòu)。通過在不同電壓、不同轉(zhuǎn)速、不同扭距、不同電流的條件下的結(jié)溫曲線，可以看到同等電流下輸出頻率對模塊的結(jié)溫影響比較小，在基速狀態(tài)下，最大扭矩時IGBT的結(jié)溫達(dá)到最高；母線電壓的提升對模塊的溫升影響非常大，從380V升至490V，IGBT結(jié)溫升高10%；翠展950模塊（MPT2+優(yōu)化PINFIN）在各種工況下Tj溫升低于競品20℃左右，等效壽命可提升2倍。
此外，翠展也正在做基于 TPACK 的一體化供應(yīng)模塊的研究，目前正在和客戶一起做TPACK 直接集成在電機尾端的測試和研究。
本文來源：翠展微電子研發(fā)副總吳瑞先生《一體化高性能逆變磚模塊技術(shù)研究》的主題演講資料整理，關(guān)注公眾號，回復(fù)關(guān)鍵詞“20230629”，即可免費觀看演講視頻。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：翠展微電子一體化高性能逆變磚模塊技術(shù)詳解
