侃技术|面向高频和高温应用的低寄生电感和低热阻的倒装嵌入式SiC功率模块的设计与评估

碳化硅芯观察 2024-10-21 18:36

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本文提出了一种适用于高频和高温应用的嵌入式碳化硅（SiC）功率模块，该模块具有低寄生电感和低热阻。SiC MOSFET采用倒装配置，并使用铜连接块，这有助于提高开关性能和散热效果。模拟结果显示总寄生电感低于300pH。与商业封装相比，双脉冲测试和热阻实验表明，所提出的模块的开关损耗和结到壳体电阻分别降低了23%和35%。

碳化硅（SiC）功率器件在高频和高温应用中具有显著优势。目前，铝线键合互连结合直接键合铜基板仍然是SiC功率器件的主流封装结构。然而，由于寄生参数高和热性能差，它无法充分发挥潜在的性能。更高的开关频率使得SiC功率器件对寄生参数更加敏感，以至于过电压、寄生振荡和电磁干扰比硅功率器件更为严重。此外，如果没有足够的散热性能，SiC器件的高温特性也无法在传统封装中充分发挥。可以看出，开发具有低寄生电感和高效散热的新解决方案已成为SiC功率器件大规模应用的必然选择。

随着先进基板技术的快速发展，嵌入式封装技术应运而生。功率芯片可以嵌入到基板中，并通过再分布层（RDL）、通孔、引线等与外部电路互连。相应地，嵌入式封装中的电气互连长度和热传导距离可以缩短。因此，嵌入式封装的寄生电感和热阻相对较低。2013年，Ostmann等人提出了一种基于引线框架的PCB嵌入式IGBT半桥模块，但未详细讨论电气分析。在此基础上，有认提出了基于铜引线框架的功率模块，预制腔体以提高电镀质量，但模块的裸芯片动态行为比较是不同的。此外，Polezhaev等人提出了一种更容易制造基于PCB的功率器件的新概念，其中裸芯片被夹在两个电路板之间，使用银烧结和预浸料的同时层压。

然而，热阻高于1 K/W，且没有优化杂散电感。因此，很明显嵌入式封装的发展主要体现在工艺实施上，而寄生参数和热特性的关键技术指标，这些对SiC功率器件特别重要的指标，尚未得到足够的关注和妥善处理。

在本文中，提出了一种具有低寄生电感和低热阻的嵌入式SiC半桥功率模块。在第二节中，进行了封装设计、寄生电感提取和热阻网络分析。在第三节中，通过实验比较了所提出的嵌入式封装和传统TO-247封装的开关特性以及热阻。最后，第四节对本文进行了总结。