Model3 SiC模块封装背后的故事

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Model3 SiC模块封装背后的故事

APC以及项目开发背后的故事吗？

APC为ST开发了应用于特斯拉 Model 3 中的功率SiC MOSFET模块封装。APC是Boschman于成立于2010年左右组建的一家公司，早期阶段专注于封装开发以及样品设计业务。早在 2014 年，Boschman就成为首家向市场推出工业烧结压机的供应商。结合成熟的的加压烧结工艺，这使得其成为为 SiC MOSFET 开发一揽子方案的最佳选择。初步接触和讨论始于2015年，大部分原型开发工作于2016年完成。对适应预生产和定型花了一段时间进行调整，因为ST还没有烧结生产设备，同时许多工艺仍然非常新！

APC在设计Transfer Molding和烧结工艺以及模具开发以及生产方面发挥一些作用。APC 还设计了完整的后端装配流程，并执行了整个装配（烧结、焊接、绑定、成型、剪切等）。此外，APC 在内部制造了第一批原型样品，并优化了所有制造流程，以实现产量和导入到生产中。Boschman设计了所有生产工具，并在ST安装了第一台全面运行的烧结机。

模块设计中的创新点以及困难？

SiC 的使用是新的，芯片的烧结连接技术也是新的，尤其是用于汽车电力电子。最重要的是，我们的模块技术比同行领先 2 ~ 3 年。当时，SiC 和烧结组合的可靠性是受到质疑的。同时也是被认为非常有前景和风险的。

时间压力是一个巨大的挑战。虽然很快发现模块的设计是可以的，但许多工艺是完全未知的。没有人真正知道要花费多长时间才能解决所有的问题。为了在设计好的流程下找到稳定且良好的性能，需要进行大量测试。

当在时间上压力比较大的时候，供应商有时会交付错误或者有缺陷的物料。为了避免这种问题，APC 必须有非常好的应变能力，以达到预期的结果。一旦我们完成了设计，ST的产业化就会推进到下一步。但他们没有Ag烧结设备，也没有生产工艺经验。因此，整个量产化的进程是具有挑战性的。

技术障碍主要涉及烧结工艺。银膏在厚度和密度上必须保证良好的均匀性。良好的性能意味着高压，但这会增加硅片碎裂的风险。为避免这个问题，模具必须准确且垂直于基板。压力必须均匀、精确以及精确地施加在正确的位置。这才能确保了高性能、高可靠性和高良品率。

封装SiC模块的挑战是什么？有什么样的发展方向？

SiC 和 GaN 都是可实现高功率密度以及高频功率半导体技术。使用传统的封装技术，封装工艺实际上已经变成了性能的瓶颈，而不是芯片。高导热率是允许模块输出更高功率的必要条件，高结温和低杂散电感是实现高频性能所必需的。典型的工艺包括，银烧结的芯片背面连接技术，改进的正面工艺包括粗铝绑定线、铜绑定线、铝\铜绑定带，银烧结的正面缓冲层等、这些改进都有利于以减少寄生参数的影响。此外，优化器件内部电流对称设计，以进一步降低寄生电感。

SiC 还远未成为主流。大多数电力电子设备仍在应用Si的技术。同时基于SiC技术前端的产业化仍在发展过程中：新晶圆厂建成，晶圆直径需要做的更大、成本需要更低等等。此外，如何更好的应用SiC器件以及在相关产业的普及都还在发展阶段。在封装方面，SiC 和 Si 之间没有太大的区别。SiC 的设计要求可能更为严格，但用于优化 SiC 的所有流程也可用于优化IGBT等。当然，SiC 只是在所有设计方面都提出了更高的要求。在芯片技术方面，技术的发展刚刚进入一个产业化的阶段，技术的发展还有很大的空间。

早期阶段，有人担心SiC无法承受烧结过程的必要压力（SiC比Si更容易碎裂），但随着压力精确和均匀控制技术的发展，这种担心变得可以忽略不计。有一个领域存在很大的差异：在用于Transfer Molding的材料中。为了支持 SiC 较高的结温，需要好的成型材料，并具有较高的高弹态温度。这些材料目前有很多供应商在开发，但只有少数供应商的产品能验证通过和应用。

开发这个模块所获得的经验有那些？

Ag烧结现在被视为一种可靠性很高的技术，而不仅仅是高性能，同时快速应用到更多的领域
我们过去使用 Ag烧结芯片，但现在我们使用 Ag 烧结芯片和铜排。很快，我们将能够在基板和散热器上烧结。同时，Ag烧结会沿着装配链向下发展。
随着 SiC 和 GaN 更多的应用，将会有更多的投资在这上面。例如，在 IT 服务器中对电源模块使用 GaN的需求将会促进GaN封装的发展，就像SiC在电动汽车中一样。
烧结设备产能还在提升。同时，封装厂的需求会越来越大。
汽车公司本身也变得感兴趣，电力传动系统和普通电力电子系统未来可能有不同的发展路径。
目前的Ag烧结材料仍有很多发展。这将扩大适用性和可靠性，并有望降低成本。
用Cu烧结材料取代Ag烧结材料是有发展前景的，但Cu烧结在生产过程中需要环境控制（真空、保护性气体等），或许生产成本会更高。并导致Cu烧结材料不会很快商用，至少不会大量使用。

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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