摘要
? ? ? ?功率模塊封裝受到近期 SiC 芯片發(fā)展的挑戰(zhàn)。如今，額定電流高達(dá) 100A 的 SiC MOSFET 芯片已上市。汽車應(yīng)用需要高于 800A 額定電流的大電流快速開(kāi)關(guān) SiC MOSFET 功率模塊。為了達(dá)到這些功率水平，需要大量并聯(lián) SiC 芯片。
? ? ? 這種大電流功率模塊的設(shè)計(jì)面臨三個(gè)主要挑戰(zhàn)：
? ? ? 首先，由于 SiC 器件的高開(kāi)關(guān)速度，換流回路電感必須顯著提高到 4nH 以下的水平。
? ? ? 其次，由于 SiC 芯片尺寸的限制，許多芯片必須并行工作，這需要電源模塊內(nèi)部的電源和柵極電路非常對(duì)稱的布局。
? ? ? 第三，必須優(yōu)化直流母線電容器連接，以保證總換流電感低于 6nH，以避免不受控制的過(guò)壓。
? ? ? 為了保證功率模塊和直流母線電容器設(shè)計(jì)之間的可靠連接，焊接連接是首選。如今，許多大功率模塊仍然采用螺紋連接，這會(huì)增加制造成本并面臨長(zhǎng)時(shí)間的連接電阻變化。
? ? ? 本文介紹了一種采用 3D 設(shè)計(jì)的新電源模塊：
? ? ? 1）DC+ 銅排一層；? ?
? ? ? 2）DC- 銅排一層；?
? ? ? 3）兩層重疊并保證非常低的換流電感，如圖 1：
? ? ? ?要實(shí)現(xiàn)具有焊接端子的低雜散電感模塊，必須解決兩個(gè)新的主要挑戰(zhàn)：
1）如何設(shè)計(jì)保證低電感的焊接端子？
2）如何設(shè)計(jì)焊接設(shè)計(jì)中的直流母線電容器連接？
? ? ? 在本文中，我們將介紹：
1）采用優(yōu)化的 SiC 芯片設(shè)計(jì)的新型功率模塊 eMPack 并解釋 3-D 設(shè)計(jì)技術(shù)，如圖 2；
2）引入新的互連技術(shù)，不使用鍵合線的 SiC 芯片，如圖 3 ；
3）可焊接連接技術(shù)，如圖 4；
1. 功率端子設(shè)計(jì)
? ? ? ?商用功率模塊（圖 1）總是使用類似的功率端子結(jié)構(gòu)。DC 和 DC- 是并聯(lián)的，一些方法試圖通過(guò)外殼內(nèi)部的特殊設(shè)計(jì)來(lái)降低電感，根本問(wèn)題解決不了。功率端子之間的距離會(huì)產(chǎn)生雜散電感，并且與直流母線電容器的連接采用類似的設(shè)計(jì)，并帶有額外的雜散電感。
? ? ? ?圖 5 至圖 7 展示了Semikron對(duì)雜散電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)：
? ? ? ?疊層的功率端子設(shè)計(jì)將保證低雜散電感并保證快速開(kāi)關(guān)過(guò)程中的低關(guān)斷電壓。
2. 焊接連接
? ? ?在大批量生產(chǎn)過(guò)程中，螺紋端子會(huì)耗費(fèi)時(shí)間（金錢）并且會(huì)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題?？珊附佣俗右子谠诿總€(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施。許多激光焊接設(shè)備供應(yīng)商可以提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)并幫助建立生產(chǎn)線。在焊接過(guò)程中，連接部件之間必須實(shí)現(xiàn)“0 間隙”。必須向可焊接部件提供一定壓力。與螺紋端子相比，焊接連接將提供非常低的接觸電阻， 5mm^2的焊接面積電阻＜4uΩ，損耗 < 1W@500A 。
? ? ? 激光焊接功率還應(yīng)需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，焊接過(guò)程中工藝順序也需要進(jìn)行定義。
3. SiC芯片的DCB設(shè)計(jì)
? ? ? ?SiC芯片非常小（大約25mm2），并且在13mOhm范圍內(nèi)有一個(gè)Rdson。為了達(dá)到更高的功率，并聯(lián)是必須的。eMPack特殊的柔性電路板設(shè)計(jì)（而不是綁定線）保證了均勻的溫度分布，以實(shí)現(xiàn)大電流（900A rms）的最小化DCB尺寸。
? ? ? ?疊層結(jié)構(gòu)（圖10）節(jié)省了DCB設(shè)計(jì)的空間。DC+/-是一個(gè)3D設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)。通過(guò)這種特殊的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)低換向電感通過(guò)這種特殊的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低換向電感。此外可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。
? ? ? 疊層式設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)換向電感在1nH范圍內(nèi)。WBG(SiC)器件可以充分發(fā)揮性能。DCB通過(guò)材料優(yōu)化以達(dá)到優(yōu)化的熱阻。
4.直流母線電容連接
? ? ? ?eMPack需要低電感連接的電容器設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的電容器設(shè)計(jì)有幾個(gè)端子的傳統(tǒng)電容器設(shè)計(jì)不適合用于本功率模塊的連接。
? ? ? 傳統(tǒng)直流母線電容器并沒(méi)有為低雜散電感連接到功率模塊而進(jìn)行優(yōu)化。改善雜散電感可以通過(guò)為功率模塊提供更多連接端子的電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
? ? ? 另外，在這個(gè)電容器的端子設(shè)計(jì)中端子之間的距離過(guò)大，將產(chǎn)生一個(gè)額外的電感。SiC 芯片的開(kāi)關(guān)速度非常快，每一個(gè)nH的減少都將有助于以減少過(guò)電壓。
? ? ?eMPack已經(jīng)提供了非常低的雜散電感，但如果電容器的連接不匹配，這就不能使用。
? ? ? eMPack是一個(gè)用于最新芯片技術(shù)的功率模塊。eMpack是未來(lái)的封裝技術(shù)，可快速開(kāi)關(guān)的功率器件，許多汽車公司中已經(jīng)在試應(yīng)用。
? ? ? 圖14顯示了一個(gè)緊湊的電氣逆變器設(shè)計(jì)。500kW僅6升的體積。
總結(jié)
? ? ? ?封裝技術(shù)將是未來(lái)WBG器件的最大挑戰(zhàn)。為了保證WBG器件的全部性能，優(yōu)化DCB和功率端子設(shè)計(jì)是必要的。大批量的生產(chǎn)需要優(yōu)化的裝配工藝。引入的可焊接端子是未來(lái)的正確方向。
? ? ? ?這篇是PCIM上Semikron發(fā)布的paper，Semikron在模塊封裝上還是有很多獨(dú)到之處。極致的低雜散電感對(duì)于SiC性能的發(fā)揮至關(guān)重要，如何減少整個(gè)功率回路的雜散電感涉及到功率模塊封裝，電容layout，電容和功率模塊的連接，Semikron的這個(gè)方案整個(gè)主回路雜散電感可以做到小于10nH，是目前看到的最極致的設(shè)計(jì)。
來(lái)源：微矩電動(dòng)