摘要：碳化硅（SiC）功率模塊在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為了提高功率模塊的性能、減小體積、提高生產(chǎn)效率，本文提出了一種基于多堆疊直接鍵合銅（DBC）單元的功率模塊封裝方法，以并行更多的芯片。該方法利用互感對消效應來減小寄生電感。由于新封裝中的導電面積增加了一倍，因此可以減小功率模塊的整體面積。整個功率模塊被分成更小的單元，以提高制造成品率，并提高設計自由度。

本文對所提出的封裝結(jié)構(gòu)提供了詳細的設計、分析和制作過程。此外，本文還提出了幾種可行的電源終端與DBC Units的連接方案。采用這種結(jié)構(gòu)，在一個商用尺寸的功率模塊中，每個相腿并聯(lián)18個芯片。仿真和雙脈沖測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的封裝方式相比，該封裝方式的寄生電感減小了74.8%，占地面積減小了34.9%。

一、介紹

隨著電動汽車的發(fā)展，人們對功率器件性能的要求不斷提高，寬禁帶器件變得越來越流行，并得到了廣泛的應用和研究。例如，碳化硅器件具有低導通電阻、高開關(guān)速度、高導熱性和高耐壓性，顯示出其替代硅基功率模塊的巨大潛力。然而，制造限制帶來過多的內(nèi)部缺陷，限制了單個芯片的電流傳導能力。因此，在大功率、大電流應用中，電源模塊往往需要并聯(lián)大量SiC芯片，多芯片并聯(lián)的電源模塊的布局設計就顯得尤為重要。

圖1 傳統(tǒng)2D布局功率模塊結(jié)構(gòu)

由于成熟且制造工藝簡單，傳統(tǒng)的2D引線鍵合封裝結(jié)構(gòu)仍然廣泛應用于商用SiC功率模塊中。如圖1所示，引線鍵合互連具有相對較大的寄生電感，這可能會顯著限制SiC器件的開關(guān)速度。典型的引線鍵合連接如圖2(a)所示。

圖2(a)?傳統(tǒng)的引線鍵合封裝

因此，多SiC芯片并聯(lián)的功率模塊主要存在兩個問題：

1）功率模塊的寄生電感會帶來較大的電壓過沖，di/dt急劇增加。目前，越來越多的電動汽車需要800V母線電壓來支持1200V功率模塊。出于安全原因，寄生電感越小越好。

2）更高的功率額定值需要更好的電流平衡能力和更寬的DBC傳導路徑。一般來說，1mm寬的DBC設計用于傳導100A電流，這意味著1000A的功率模塊需要在DBC上有10mm的電流傳導路徑。在一篇參考文獻中，功率模塊的總面積估計為芯片總面積的4-5倍。更寬的傳導路徑可能會阻礙功率模塊設計人員控制整齊的布線、良好的電流共享和先進的散熱平衡，因此，當芯片數(shù)量增加時，整體面積增加更多，導致功率密度下降。

圖2(b)?平面封裝結(jié)構(gòu)

T. Huber 提出了一種1000V/200A半橋模塊，其基板類似于多層基板，這兩種模塊都通過多個陶瓷基板實現(xiàn)了低寄生電感。然而，如圖2(c)所示，兩個模塊都焊接在兩個陶瓷基板的頂層上，這不僅使制造工藝復雜化，而且與常見的2D布局相比也增加了熱阻。

圖2(c)?T.Huber提出的封裝結(jié)構(gòu)

如圖2(d)所示，陳等人改進芯片位置開發(fā)1200V/60A堆疊DBC封裝SiC功率模塊，將功率回路電感降至5nH，并將驅(qū)動器和散熱器集成到封裝中，但這種設計容錯能力較低，沒有考慮柵極對稱性問題，無法并聯(lián)多個芯片。

圖2(d)?陳等人改進的封裝結(jié)構(gòu)

二、DBC固定單元包設計

針對上述問題，本文提出了一種低寄生電感、小尺寸、高生產(chǎn)率的多DBC堆疊單元封裝功率模塊。如圖3所示，模塊基板由DBC堆疊而成，底部兩個DBC上各焊接9個SiC MOSFET裸片，形成半橋電路。MOSFET的漏極焊盤通過焊料連接到底部DBC，而MOSFET的柵極和源極焊盤通過引線鍵合連接到頂部DBC。連接器被焊接以連接DBC 02上開關(guān)的源極和DBC 04上開關(guān)的漏極。DBC 02和DBC 04通過DBC 01的底部銅層連接。

圖3 模擬?DBC 單元圖示

SiC最重要的優(yōu)勢之一是開關(guān)速度快，這也意味著SiC功率模塊封裝需要更低的開關(guān)損耗。同時，寄生參數(shù)對開關(guān)特性有顯著影響，尤其是在高開關(guān)速度下。所提出的功率模塊單元的電流環(huán)路如圖5所示，電流在兩層中的藍色路徑中流動，可以有效降低寄生電感。通過Ansys Q3D提取寄生電感，結(jié)果表明，所提出的電源模塊單元的寄生電感為4.74 nH。相比之下，如圖6所示，類似額定功率的傳統(tǒng)布局模塊的寄生電感為18.84 nH。

圖5?模塊的電氣連接路徑

圖6?傳統(tǒng)布局單元 Q3D 模型

為了驗證所提出的封裝的可行性，如圖7所示，在僅將一個芯片焊接到開關(guān)的布局上進行了雙脈沖測試（DPT）實驗。圖7(a)是傳統(tǒng)布局電源模塊，圖7(b)是傳統(tǒng)模塊DPT波形，圖7(c)是建議布局電源模塊，圖7(b)是建議模塊DPT波形。經(jīng)過對比測試，傳統(tǒng)封裝功率模塊勉強通過了600V DPT。然而，由于寄生電感較大，柵極開始振蕩。相反，所提出的封裝通過了800V雙脈沖測試并且具有良好的波形。

圖8 所提出的電源模塊的制造過程

表Ⅰ?幾種詳細連接情況

圖9 連接的不同情況 (a) 通過連接器連接 (b) 通過 DBC 本身進行連接 (c) 堆疊式終端

為了驗證所提出的多DBC堆疊單元封裝的可行性，如圖10所示，制作了18個并聯(lián)芯片的功率模塊單元。該開關(guān)器件的動態(tài)性能，如電壓振蕩、電壓過沖和開關(guān)損耗等，可以通過圖11所示的DPT電路獲得，實驗電路參數(shù)如表Ⅱ所示。該電路基于半橋電路，下部開關(guān)作為被測器件。使用高壓隔離差分探頭測量漏源電壓Vds，使用Rogowski線圈電流探頭測量漏極電流Id。使用常規(guī)探針測量柵源電壓Vgs。上開關(guān)管的柵極受到負電壓，因此上開關(guān)管關(guān)斷，只有續(xù)流工作。

圖10?模擬功率模塊單元

雙脈沖結(jié)果波形如圖12(a)所示，第一個脈沖的導通過程如圖12(b)所示，第二個脈沖的關(guān)斷過程如圖12(c)所示。藍色波形是柵極驅(qū)動信號Vgs，紅色信號是測量的開關(guān)漏源電壓Vds ，綠色波形是漏極電流Id。可以看出，模塊已通過800V/500A的DPT。

圖12 波形結(jié)果 (a) 雙脈沖測試波形，(b) 第一個脈沖開啟過程，(c) 第二個脈沖關(guān)閉過程

圖13?傳統(tǒng)布局模塊波形

針對傳統(tǒng)2D布局功率模塊的缺點，本文提出了一種SiC功率模塊采用多個DBC堆疊單元的封裝方法。詳細介紹了建議的DBC單元和電源模塊，以及提供了不同DBC之間的多種連接情況。實驗和仿真結(jié)果表明，所提出的封裝模塊具有以下優(yōu)點：

3）與平面封裝相比，所提出的模塊工藝簡單，成本降低。而且單元設計還可以提高生產(chǎn)率。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：一種新型的SiC功率模塊多芯片并行封裝方法