近日，英国华威大学工程学院和重庆赛力斯凤凰智创科技（ 赛力斯子公司 ）发表了一篇题为《基于碳化硅 MOSFET 的超低杂散电感双面散热无键合线半桥模块设计》的论文。赛力斯团队开发了一种新型双面散热、无引线键合的半桥功率模块的设计，该模块采用了银烧结技术和碳化硅 MOSFET，该模块具有几个优势：
一是模拟杂散电感低至4.7nH，两并或五并的杂散电感可分别降至2.4nH和0.9nH。
二是与单面散热模块相比，该双面散热功率模块的结温降低了30° C。极端工况下，结温 (Tj) 约为199° C，比单面设计低39° C。
该文献还详细介绍了该模块的内部结构和封装工艺流程，感兴趣的朋友可以联系叶知秋（微信 hangjiashuo888 ）获取该文献。
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在设计和构建功率模块时，需要考虑两个重要因素：芯片连接方法；内部电路互连和布局。
传统功率模块的芯片连接主要使用采用引线/焊带键合技术，但这两种方法都会承受相当大的机械应力，从而限制模块的使用寿命。
相比之下，无引线键合设计优势更明显：
一是在功率循环测试中可以大幅改进模块性能；
二是可以大幅降低寄生电感，从而实现了更快的开关速度和更低的开关损耗，从而降低了结温。
更低的电感和更低的损耗是开发更紧凑的功率模块封装的关键所在，并且能够提高电动汽车的效率、可靠性和使用寿命。
三是无引线键合设计为模块两侧的连接提供了更好的机会，更容易实现先进的双面散热设计。
与传统方法相比，双面散热方案具有卓越的电气和热性能。器件与散热液之间的热阻 (Rth) 可降低50%，这意味着可以更有效地散热，并实现更高的脉冲宽度调制 (PWM) 频率。
研究案例显示，当结-壳热阻Rth(j-c) 从0.4 K·cm²/W 降低到 0.2 K·cm²/W时，假设芯片尺寸相同，额定电流可提高61%。
赛力斯这款双面散热半桥模块主要构成包括：AMB基板、定制铜连接器、SiC MOSFET裸片（意法半导体SCT110N120G3D2AG）以及电源和信号连接器。与单面散热方案不同，这种双面设计在电路中采用了两块AMB基板，形成三明治结构，芯片位于中间。AMB基板的顶部铜厚为0.3 mm，Si3N4基板厚度为0.32 mm，背面铜厚为0.3 mm。一是将栅极触点放置在靠近SiC MOSFET芯片的位置，以尽量减少杂散电感； 二是将从SiC MOSFET的芯片到源极接触的电流流动方向与从漏极到芯片的电流流动方向相反，以减少杂散电感； 三是使用开尔文源接触作为栅极信号，可有效减少寄生电阻并减少误开关事件。 该模块使用小铜块来连接两个AMB基板，从而方便半桥电路中上下桥臂SiC器件之间的互连。该团队研究表明，与传统的键合引线或键合铜夹片相比，这种铜连接器可以显著降低杂散电感。 定制铜连接器的轮廓图（左）、侧面图（中）和顶部图（右） 实验室的封装能力，该研究中的两个AMB基板之间的距离设计为4毫米，从而能够在最小化杂散电感和解决实际封装问题之间取得平衡。该功率模块中的SiC MOSFET、电源和信号连接器如下图所示，这两个连接器的选择是基于市场供应情况。 SiC MOSFET（左）、信号和电源连接器顶视图（中）和轮廓图（右）
下图是双面半桥功率模块的构造演示，而非实际封装工艺流程：
第一步，将上桥臂和下桥臂的SiC MOSFET芯片连接到AMB基板上。
第二步，将定制的铜块烧结到SiC MOSFET芯片的源极焊盘上。
第三步，将信号和电源连接器以及定制的栅极铜块连接到两个基板上。
最后一步，将右侧的基板翻转并与左侧的基板对齐。
最终的模块封装结构如下：
顶视图（左）、侧视图（右）
在设计大功率模块的封装结构时，必须始终考虑绝缘性能。该功率模块适用于800V电动汽车应用，根据IEC 62368标准，在污染等级1（QSIL 550 封装）下，800V的最小加强绝缘厚度为0.5mm。信号和电源路径（栅极到源极）之间的最小距离设计为1.06 mm，而电源路径（漏极到源极）之间的距离设置为2 mm。上下 AMB 板之间的间距取决于铜块的高度，由于实验室的封装能力有限，因此选择了4 mm的间距；但在未来的迭代中，该间距可以减小到2 mm。
这次展示的设计中，上下支路均采用单颗芯片。Ansys Q3D 仿真结果显示，该双面模块的杂散电感在5 MHz时达到约4.7 nH。赛力斯的模块采用可扩展设计，当扩展到两颗或五颗并联芯片时，杂散电感可分别降至2.4 nH和0.9 nH，这表明该功率模块设计实现了超低杂散电感。 由于大功率SiC双面散热模块在市场上尚未普及，因此他们选取了一款最新的SiC单面散热半桥模块和一款IGBT双面散热模块进行比较。根据Ansys Icepak测试结果，在功率损耗基本相同（均为156.5 W）的情况下，单面散热模块中SiC MOSFET芯片的结温达到约138°C，而双面散热模块中SiC MOSFET芯片的结温约为108°C，因此双面散热模块的散热效率更高，结温降低了近30°C。尽管单面模型的针翅散热片表面积约为双面模型（单基板）的2.8倍，但双面设计仍然更高效。在峰值电流下连续工作，开关频率高达16 kHz，总损耗为323.5 W，这时单面设计的结温 (Tj) 达到238°C，超过了功率芯片的工作范围（-55°C至200°C）。相比之下，双面设计的Tj约为199°C，比单面设计低39°C。结果表明，双面设计可以在极端功率损耗条件下工作。 该团队表示，在某些条件下，在标准最大结温以上短时间运行是可以接受的。英飞凌、安森美和 ROHM等顶级制造商明确保证在175°C至200°C之间的有限时间内（通常为十小时到数百小时）安全运行，而不会影响器件可靠性。，这些裕度是为了处理不常见但剧烈的瞬变。此外，意法半导体的TPAK系列等新一代SiC模块已达到Tj = 200°C的额定连续工作温度，这反映了行业向更高耐热性迈进的趋势。因此，尽管这次模拟的199°C Tj几乎达到了200°C的阈值，但它仅发生在罕见的短暂事件中，并且完全在主要SiC器件制造商定义的热性能范围内，从而确保系统可靠性不受影响。首先，单面模块的封装通常只需一次回流焊工艺，而在大学实验室条件下，封装双面模块可能需要多次回流焊。其次，单面封装的封装壁构建要简单得多，而双面封装中的封装材料由于要在散热器焊接前进行注入，可能会承受更高的温度。最后，双面模块的每一层在回流焊过程中都必须保持水平，以防止任何断开。电动交通&数字能源SiC技术应用及供应链升级大会
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本文发自【行家说功率半导体与新能源】，专注新型功率半导体、新能源（汽车、光储充等）行业观察。
