技术 | SiC模块封装探讨

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技术 | SiC模块封装探讨

SiC产品的发展是迅速的，在光伏，工业电源，汽车等领域逐步渗透，并快速发展。当面对大功率需求的时候，多芯片并联的功率模块设计开始遇到问题，传统的基于Si基的模块设计很多时候并不完全适用于SiC模块的设计。那么SiC模块封装该如何更好的适应应用需求呢？

模块封装概述

封装是芯片到应用的重要一环，在大功率的电力电子应用中，多芯片并联封装到一起是满足更高功率的重要手段。当面对上百千瓦甚至兆瓦级别的功率开关的时候，TO-247这种封装就不太适用了。那么我们就有了各种各样的封装形式。以应对不同的应用需求，来满足成本，性能指标。下面的图片列举了目前常用的封装，各种封装都有特别适用的应用场景，比如PCBA集成的适合于Easy,Flow,Econo等封装。汽车级的应用，直接水冷往往是最优的选项。压接式的模块则是应于MMC拓扑的电网应用。

当更大功率的应用需要到功率半导体的时候，我们从芯片级别并联成为一个最优的选项，应对复杂拓扑结构或者组合拓扑结构的时候，更大的DBC面积以及针脚的出线端子才能满足要求，对于高功率密度的要求，直接水冷或者双面水冷是做好的选项。

Easy, EconoPIM, Flow, MiniSKiip 等封装采用针脚出线形式，能很好的满足诸如NPC, Braker, APF, 整流等复杂拓扑或者结构的应用；
PrimePACK, IHV等封装则是在芯片并联的基础上又通过内置母排并联了多个DBC以实现更高的功率。XHP封装其实也是类似上述的大功率模块，差异在于减少了DBC并联，同时优化外部结构利于外部模块级别并联以满足应用端更加灵活的设计需求。
HybridPACK,DCM1000, M653等模块则是典型的汽车级模块，采用少量芯片并联，直接水冷方式以提供功率密度，DCM1000的半桥结构则是为了提供更加灵活的应用设计，Molding的封装形式以及三直流端子的母线设计也可以很好的兼容SiC模块的设计。
后面的Hybrid DSC 封装也包括其他类似的双面冷却模块的设计，虽然外部结构设计复杂，但是可以给应用端提供灵活紧凑的设计，以实现高功率密度。

当大功率的全碳化硅模块能给应用带来系统提升的时候，如何把多片并联的SiC芯片高性能的封装到模块开始成为一个重要发展方向，上述的这些典型封装是否能很好的适应于SiC模块，如何开发新型SiC模块的封装算是目前的一个热门话题。

功率模块封装技术发展

我们设计满足各种应用需求的封装本质上是芯片布局成电路和散热技术。结合外部设计组成成熟的产品，其技术基础主要是三个方面。包括芯片互连，芯片焊接，和散热设计，加上一个外壳封装构成整个模块，如下图所示：

下面我们分别来看一下这三个方面的技术发展和应用，芯片封装技术重要发展方向有几个点，包括改善产品的功率循环能力，提高寿命；降低模块杂散参数，优化产品电气特性；改善散热性能，提高工作结温，增加功率密度。这几点，特别是对于SiC芯片的封装也更具有意义，例如由于SiC器件特点以及热量分布不均匀导致的短路能力问题是不是可以通过封装技术改善？下图基于开米尼茨大学与英飞凌发表的一篇论文中给出的数据可以看出SiC芯片的热量分布更加集中且靠近芯片表面。那么双面散热的形式，或者上表面有铜Buffer层的封装结构是不是可以改善短路特性？

又例如，在当前主流封装工艺技术下，一方面，由于同电流能力的芯片SiC具有更小的尺寸；另一方面，由于SiC的杨氏模量更大，在同样外形结构的条件下（直角），芯片边缘直角区域的塑性应变比Si高41%。因此，SiC封装的模块功率循环能力，可能只有传统同规格的Si基模块的1/3到1/4，如下图所示的参考测试结果。那么如何从封装工艺来提高SiC模块的功率循环能力呢？

我们首先看一下芯片顶部连接结技术的发展。如下图所示，芯片顶部连接技术目前已铝绑定线为主，铝绑定带也是一个改进方案。新的已经有应用的一些技术方案包括DLB，双面冷却，DBB，SkiN等。其基本特点都是采用铜工艺。来代替铝绑定线，对于改善可靠性，提高功率循环能力应该都有一定的效果。其中，DLB技术与SkiN都是采用铜箔（片）来做回路连接，直接取消绑定线，是对传统绑定线工艺的一个变革。其中SkiN技术采用双层铜箔形成叠层母排的效果，目的在于优化系统回路杂散电感。对SiC芯片也有比较积极的意义。双面冷却也是取消了绑定线，芯片上表面也是采用金属片或者DBC连接。且不谈双面冷却在应用中的问题，上表面直接厚金属与芯片或许对SiC的短路能力有一定的改善空间。

DBB技术前面介绍过，基于DBB的Si IGBT产品可以提高功率循环能力达到十多倍。目前在汽车级产品中已经批量应用，也基本证实了其可靠性。前面也一些文章介绍DBB工艺，这里就不在多说。（参考文章链接：DCM™-铜绑定线技术-DBB）。下图为丹佛斯发表的论文中给出的采用DBB工艺的SiC封装的功率循环测试数据，可以看出，在DBB的加持下，可以获得和Si IGBT类似的寿命能力。

对于芯片的底部连接，目前主流的是基于锡(Sn)合金，比如SAC (SnAgCu)，其他的比如SnPb，SnPbAg，SnCu等，都是基于锡合金。随着烧结工艺以及材料的发展，纳米级银粉烧结可以应用到芯片的连接并提供出色的性能。上面提到SiC芯片的塑性应变更大带来焊接层老化加剧的问题就可以很好的通过烧结工艺来改善。根据相关研究显示，虽然烧结层在一定的循环次数后也会出现微小的裂痕，但是不及焊层厚度1/10的裂痕是对性能没有任何影响，对模块功率循环能力带来了极大的提升。

最后一点是模块的散热结构，包括Substrate和底板。传统的DBC结构多是采用Cu-Al2O3-Cu的材料结构或者采用AlN的绝缘陶瓷取代Al2O3以降低热阻，基于AMB工艺的Si3N4也拥有优异的导热性能以及热匹配系数，同时AMB工艺可以提供更厚的铜衬底层益于散热同时兼顾可靠性。底板多为平面铜底板或者Pinfin结构，这二者基本构成了模块的散热结构。采用环氧材料掺导热金属材料的绝缘膜技术能使绝缘不再依赖于陶瓷材料，可以优化模块的叠层结构，使芯片直接焊接在厚铜基板上，以获得更好的稳态热特性和暂态热特性。ShowerPower3D的散热结构直接在铜底板上铸造散热水道，在成本上优于Pinfin，在性能上也能获得较大的提升。双面冷却的结构提高了芯片的散热面，可以降低系统热阻。

这里需要提到的一点是，在采用AMB（Si3N4）基板的情况下，很多时候，基本与铜底板之间采用锡合金进行焊接的时候，其热导率其实已经低于Si3N4了。也就是说其虽然是金属，但是导热性能比Si3N4还差，简单理解为这时候，整个堆层中，热导率最低的就是焊锡了。那么取消锡焊的工艺将会是一个发展方向。

最后一点是模块的封装外壳设计，作为模块的机械和化学保护，现在能看得到的主流的有两种，一种是塑壳加硅凝胶的形式，这是大规模应用的；另外一种是基于环氧树脂材料，采用传送模工艺封装的模块，这种模块封装形式比较灵活多样，而且对寿命有提升，可能更加适合未来SiC模块的封装。我们看到的大多数的双面水冷的模块包括博世的PM4，丹佛斯的DCM1000平台都是。

SiC模块封装需求

当我们去考虑如何更好的封装SiC产品的时候，是基于其差别与传统Si产品的固有特性的。其主要包含两个方面即是更快、更热，以及衍生的设计上的变化我认为有一下几点：

更快是指SiC的开关速度更快，dv/dt、dt/dt更大。会导致系统杂散电感、分布电容对系统的影响更加显著，对称设计将变得非常重要。
更热意味着芯片可以工作到更高的结温，但是更高的结温对封装要求也更高，硅凝胶如何能工作到超过200℃。新型材料比如硅橡胶是不是可以用于传送模(transfer molding)以满足更高的温度要求？以及更高的工作结温情况下寿命如何保证。
功率循环能力，如何满足想系统要求。铜绑定线或者无绑定线是不是正确的路线。
在很多应用场合，可以发挥体二极管的作用省去反并联二极管。那么上下桥的结构设计是不是可以简化。
由于电流密度更大，对绑定线载流能力要求提高，或者无绑定线。
端子的设计如何来更好的适配。从下图英飞凌论文给出的布局可以看出，三端子的设计对于对称设计以及降低杂散电感是有利的。
功率密度更高的情况下，模块的体积可以变得更小，是否会带来模块封装设计的变化。
从芯片到模块到系统是目前垂直的三个层面。那么未来模块到系统会不会产生一定的融合？比如半集成的模块在系统层面实现完全集成。

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来源：电力电子技术与新能源

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首次发布时间：2023-05-19