弗吉尼亞理工大學(xué)|DSC碳化硅模塊封裝實現(xiàn)與應(yīng)用優(yōu)勢

在本文中，我們將重點介紹美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心Professor G-Q Lu團(tuán)隊在創(chuàng)建雙面冷卻 (DSC) SiC 模塊方面所做的工作，與傳統(tǒng)的相比，該模塊可以顯示牽引逆變器性能的巨大改進(jìn)單側(cè)冷卻（SSC）模塊。

改進(jìn)牽引逆變器 SiC 模塊封裝的方法

如圖2所示，VT/ORNL策略為實現(xiàn)牽引逆變器的上述目標(biāo)，利用DSC模塊改進(jìn)的性能來顯著減少SiC芯片數(shù)量，從而帶來功率密度和成本優(yōu)勢。

使用了多種解決方案的組合來實現(xiàn)總體目標(biāo)，每個解決方案總結(jié)如下。

雙面散熱

這可以將熱阻 R th-JC降低30% 以上。此外，如圖 3 所示，還可以顯著提高功率密度并降低電感（由于不使用鍵合線）。

Professor G-Q Lu的團(tuán)隊采用了一種創(chuàng)新方法在模塊中實現(xiàn)了DSC。

對于 DSC，設(shè)備芯片通常夾在兩個導(dǎo)電導(dǎo)熱基板之間。以前的頂部連接方法使用覆蓋器件區(qū)域一部分的短金屬柱，如圖 4(a) 所示。已經(jīng)嘗試了許多材料用于該柱，例如銅（這會引入更多的熱機(jī)械應(yīng)力）、鉬（這具有較低的導(dǎo)熱性并且需要表面金屬化）等。

對于背面芯片來說，銀燒結(jié)比焊接有在連接方面有優(yōu)勢，具有更高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及更高的可靠性。根據(jù)Professor G-Q Lu的研發(fā)，柱子是通過低溫?zé)Y(jié)無壓銀燒結(jié)膏1制成的多孔銀。使用這些多孔柱的一個關(guān)鍵優(yōu)點是，它們在頂部接觸的形成過程中很容易變形，從而適應(yīng)幾何變化，例如基板厚度的差異。

圖 4(b) 說明了這些 Ag 帖子。與用于芯片連接的焊料相比，燒結(jié)銀的許多優(yōu)點現(xiàn)在也轉(zhuǎn)移到了頂部連接，以及低彈性模量的優(yōu)點，因此比銅或鉬柱具有更低的機(jī)電應(yīng)力。

用于芯片貼裝的納米銀燒結(jié)

Ag 燒結(jié)在 250°C 或更低的溫度下使用固態(tài)擴(kuò)散，有或沒有壓力輔助。

如圖 5 所示，銀燒結(jié)比傳統(tǒng)焊接方法具有多種優(yōu)勢。Professor G-Q Lu的團(tuán)隊使用了納米銀漿料，混合了表面活性劑和有機(jī)稀釋劑。在給定的溫度和壓力條件下，這提高了致密化速率，從而提高了膠層內(nèi)聚力和粘附力。

剛性密封劑的使用

填充模塊中芯片之間空間的密封劑對于模塊的可靠性起著關(guān)鍵作用。

這種材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 需要較低，以便模塊能夠在指定的溫度范圍內(nèi)可靠地使用。Professor G-Q Lu的團(tuán)隊嘗試了三種不同的封裝材料，如圖6所示。

優(yōu)選的EP-2000材料的高彈性模量有助于降低不同粘合界面處的循環(huán)非彈性應(yīng)變能密度或損傷，從而提高模塊的可靠性。

通過現(xiàn)場分級改善絕緣

局部放電起始電壓 (PDIV) 是模塊絕緣開始退化的電壓。

改善這一點的方法可以包括使用更厚的或堆疊的基板，或者在模塊內(nèi)的最高電場點處使用場分級材料。

非線性電阻場分級（NLRFG）材料可以通過快速增加電導(dǎo)率來降低絕緣體中的電場應(yīng)力。在模塊中，三相點，即金屬、陶瓷和絕緣體的界面，是場應(yīng)力最高的位置。

在這項工作中，如圖 7 所示，由聚合物納米復(fù)合材料 (PNC) 涂層制成的 NLFRG 材料通過對模塊三相點進(jìn)行物理涂敷而得到，已被證明可以顯著提高電源模塊的絕緣性。

模塊結(jié)果

針對電動汽車牽引逆變器，構(gòu)建了 DSC 1.2 kV SiC 相腳模塊原型。圖 8 顯示了 200°C 的溫度測試結(jié)果。

改進(jìn)的冷卻和燒結(jié)銀鍵合的使用表明，可以提高工作溫度，有可能使 SiC 結(jié)溫高達(dá) 250°C。

圖9描繪了10 kV DSC SiC模塊，由10 kV SiC器件組成，形成全波二極管整流器模塊。上述方法的結(jié)合有助于實現(xiàn)高功率密度、高溫和高壓操作。

結(jié)論

功率模塊封裝的創(chuàng)新可以提高功率密度并減少 SiC 和 Cu 等材料，從而在電動汽車應(yīng)用中實現(xiàn)更低的成本和更可持續(xù)的功率轉(zhuǎn)換。

本文重點介紹的創(chuàng)新 DSC 方法可以成為用于提高電動汽車和可再生能源轉(zhuǎn)換器牽引逆變器性能的眾多解決方案之一。

參考

1?C. Ding、H. Liu、K Ngo、R. Burgos、GQ Lu，“具有燒結(jié)銀中介層的雙面冷卻 SiC MOSFET 功率模塊：I 設(shè)計、仿真、制造和性能表征”，IEEE Transactions電力電子學(xué)，2021。

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，碳化硅芯觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)觀點，僅代表碳化硅芯觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系碳化硅芯觀察。