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碳化硅(SiC)功率模块封装技术的新挑战

来源: 浏览: 发布日期:2021-04-12 16:52:14
信息摘要:
  尽管宽禁带半导体材料较Si材料在材料性能上有很大的优势,但是芯片必须封装之后才能使用,目前传统的功率器件封装技术都是为Si基功率器件设计的,将其用于宽禁带半导体功率器件时,会在使用频率、散热、可靠

  尽管宽禁带半导体材料较Si材料在材料性能上有很大的优势,但是芯片必须封装之后才能使用,目前传统的功率器件封装技术都是为Si基功率器件设计的,将其用于宽禁带半导体功率器件时,会在使用频率、散热、可靠性等方面带来新的挑战,封装技术正成为宽禁带功率器件的技术瓶颈。传统的Si基功率模块封装采用7层结构,从上到下依次是芯片、衬底、基板和热沉,以及相邻层次之间的互连焊料,芯片正面的输入输出端与引脚之间采用引线键合实现互连,芯片背面到热沉的连接是热量传导的主要通道。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*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HybridDSC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。

  以SiC为例,当传统封装结构用于宽禁带半导体材料功率模块封装时,会带来以下问题:一是引线键合和复杂的内部互连结构带来较大的寄生电容和寄生电感。SiC功率芯片的开关速度可以更快,因而电压和电流随时间的变化率(dv/dt和di/dt)就更大,这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡,会引起开关损耗的增加,严重时甚至会引起功率器件的误开关,因此SiC功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。二是SiC功率器件在散热方面具有更高的要求。SiC器件可以工作在更高的温度下,在相同功率等级下,其功率模块较Si功率模块在体积上大幅降低,因此对散热的要求就更高。如果工作时的温度过高,不但会引起器件性能的下降,还会因为不同封装材料的热膨胀系数(CTE)失配以及界面处存在的热应力带来可靠性问题。

  扩展阅读:半导体封测除泡机推荐

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