来源 | 芯TIP

智库 | 云脑智库(CloudBrain-TT)

云圈 | 进“云脑智库微信群”,请加微信:15881101905,备注您的研究方向

声明 | 本号聚焦相关知识分享，内容观点不代表本号立场，可追溯内容均注明来源，若存在版权等问题，请联系(15881101905，微信同号)删除，谢谢

报告主题：宽禁带（WBG）功率器件电子封装

报告作者：H.Alan Mantooth

（Distinguished Professor，University of Arkansas）

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

• 学习重点

  电力电子模块封装基础

  宽禁带封装的基础知识

  了解异构集成背后的动机

  先进的 WBG 封装架构概览

  WBG 封装的最新设备概览

• 宽禁带电力电子模块

• 3.3 kV 碳化硅设计

• 10 kV 碳化硅设计

• 具有嵌入式冷却的高级架构

• 设计和布局工具

报告详细内容

# 什么是电力电子模块？

电力电子模块是由两个或多个功率半导体器件组成的封装

# 功率模块的组成部分

# 1200V、450A 碳化硅半桥模块

# 集成度

智能功率模块集成：

栅极驱动器、系统通信、系统诊断

（热感应、过流保护、过压保护等）

# 电力电子模块的优缺点

优点：

提高性能，减少寄生电路元件

减少零件数量，提高可靠性

降低系统成本

缺点：

多材料接口、可靠性问题

热管理，减少散热面积

# 宽禁带电力电子模块

SiC 和 GaN 器件的高开关速度对其封装和电力电子模块提出了巨大挑战

电力电子模块的设计和制造涉及从电气、机械到材料工程的多学科知识

# 功率模块的材料和工艺开发

# 功率模块设计流程

# 传统功率模块

450A、1200V SiC 半桥模块，每个开关位置有 15 个并联 SiC MOSFET 和 9 个并联 SiC 二极管

从矩形模块到方形模块，寄生电感减少

# 高压功率模块

# 高压功率模块

寄生比较

友好的模块系统接口；

单/并联模块电流平衡；

低寄生L和C；

技术成熟，成本低。

# 高压功率模块

# SiC 3.3 kV 功率 MOSFET 模块封装

用于模块封装结构的下一代 SiC 功率器件的挑战

需要先进的封装结构和技术来充分实现高压和高速 SiC 功率器件的优势

# 3.3 kV/200 A SiC 功率模块主要参数和特征

# SiC功率MOSFET模块封装

典型的模块封装堆栈结构

# 3.3 kV/200 A SiC MOSFET 功率模块

低电感结构（第一代）

# 3.3 kV/200 A SiC MOSFET 功率模块

电感优化：嵌入式去耦（第二代）

# 3.3 kV/200 A SiC MOSFET 功率模块

电感优化：多针丝带键合（第三代）

# 3.3 kV/200 A SiC 功率模块

DPT（无外部缓冲电容器）

# 3.3 kV/200 A SiC 功率模块

总结和比较（CREE/Mitsubishi/UARK）

# UA开发出新型无焊料SiC功率MOSFET封装技术

• 采用倒装芯片键合的新形状因子使 MOSFET 能够键合

• 与 TO-247 封装相比，占位面积减少 14 倍

• 寄生环路电感降低了 3 倍

# 倒装芯片功率 MOSFET

# 引线键合和倒装芯片模块的比较

# 寄生电感比较

# 开关比较

# μcooled倒装芯片模块

# 倒装芯片功率 MOSFET 模块

# 垂直堆叠的 SiC 模块

# 制造工艺

# 双脉冲测试 (DPT)

# 集成模块

# 更多模块

# 总结

先进封装是WBG功率转换的关键

新的封装架构/材料系统需求量很大

现有的封装系统研究使之与WBG功率转换兼容

转换器级别的封装也是一个重要的话题

# 设计和布局工具

# 集成基础

在大多数应用中都需要减小尺寸和重量

更高的开关频率可以减小尺寸和重量 -> 更小的无源器件来提供功率

可能会受到电磁干扰等（EMI等）

必须应对更高频率的影响（寄生效应）

需要更完整的设计和实现方法

# 集成到电机驱动

将更多功能集成到模块中

利用可靠的技术

进一步推动高功率密度

# PowerSynth的概述

探索集成功率模块的设计空间

使用快速热和电气模型来快速测量电源模块性能

DRC-clean 解决方案的快速布局生成算法

多目标优化允许考虑许多权衡设计解决方案

轻松将设计解决方案导出到 Q3D 和 SolidWorks

目前的工作：在布局中考虑EMI；高压 (> 10 kV) 应用的可靠性限制

# 设计流程

# 用户输入

# 模型表征

# 优化算法和性能指标

# 多目标解决方案浏览器

# 导出设计

# 硬件验证

# 总结

• 电力电子模块封装基础

• 宽带隙封装的基础知识

• 了解异构集成背后的动机

• 先进的 WBG 封装架构概述

• 用于功率封装的高级工具

• 功率模块封装的关键要素

  架构、设计工具、材料、协同设计（E、T、M、R、C）、制造、多功能

参考来源：H.Alan Mantooth

Distinguished Professor，University of Arkansas

部分编译：芯TIP@吴晰

－ The End －

版权声明：欢迎转发本号原创内容，转载和摘编需经本号授权并标注原作者和信息来源为云脑智库。本公众号目前所载内容为本公众号原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理，相关内容仅供参考及学习交流使用。由于部分文字、图片等来源于互联网，无法核实真实出处，如涉及相关争议，请跟我们联系删除。我们致力于保护作者知识产权或作品版权，本公众号所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本公众号拥有对此声明的最终解释权。

投稿/招聘/推广/合作/入群/赞助 请加微信：15881101905，备注关键词

“阅读是一种习惯，分享是一种美德，我们是一群专业、有态度的知识传播者