采用先進碳化硅封裝技術有效提升系統(tǒng)耐久性

Adam Barkley 博士，Wolfspeed 功率半導體研發(fā)副總裁

引言

眾多行業(yè)領域的電氣化推動著對高性能功率器件的需求不斷增長，應用場景日益多樣，這也給電源設計工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。寬禁帶材料，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的采用，因其在效率、功率密度和可靠性方面的顯著優(yōu)勢，正助推著這一需求。

"萬物電氣化"也意味著碳化硅 (SiC) 在越來越多的工作場景、氣候條件和海拔高度下的應用日益廣泛。一輛在佛羅里達州或在蒙特利爾行駛的電動汽車，其系統(tǒng)要求和性能期望是不同的。預計到 2050 年，對可再生能源的需求將飆升。波羅的海風力渦輪機的運行條件與內華達沙漠的光伏板也不同。高壓應用并非千篇一律，但在苛刻環(huán)境下實現(xiàn)高性能和高可靠性——即真正的系統(tǒng)耐久性——正成為普遍的期望?？煽啃躁P注測試結果的一致性，而耐久性則側重于在惡劣環(huán)境下長期持續(xù)運行。碳化硅 (SiC) 材料的內在特性使其在材料層面比硅 (Si) 更具耐久性。當我們探討電力電子技術如何影響（或制約）終端系統(tǒng)在苛刻環(huán)境下無需過多維修即可運行的能力時，耐久性的真正價值便得以顯現(xiàn)。

要充分實現(xiàn)碳化硅 (SiC) 的性能和耐久性優(yōu)勢，需要在封裝技術方面取得顯著進步。本白皮書探討了碳化硅 (SiC) 功率器件封裝的創(chuàng)新，重點介紹了它們在滿足現(xiàn)代電力應用需求方面的關鍵作用，特別是在電動汽車、快速充電基礎設施、工業(yè)及可再生能源電站領域。

汽車和工業(yè)應用中嚴格的性能期望

電動汽車轉型需要穩(wěn)健的快速充電基礎設施，系統(tǒng)功率范圍從 50kW 到 1MW 以上。一個典型的 50kW 充電機每天執(zhí)行 20 次循環(huán)，十年內累計超過 70,000 次循環(huán)，這要求功率模塊在從環(huán)境溫度到高結溫的廣泛溫度循環(huán)下具有卓越的耐久性。

碳化硅 (SiC) 技術通過卓越的效率、更高的工作溫度、更長的使用壽命和更緊湊的設計，超越了傳統(tǒng)的硅 (Si) IGBT。碳化硅 (SiC) 實現(xiàn)了光伏逆變器和風力發(fā)電系統(tǒng)中的高效能量轉換，可處理 1.2kV 至 3.3kV+ 的電壓，同時在 150°C 以上可靠運行，減少了惡劣環(huán)境下的冷卻需求。

在工業(yè)應用中，碳化硅 (SiC) 提高了電機驅動、機器人和自動化系統(tǒng)的功率密度。高開關頻率使得元件設計更緊湊，而寬禁帶特性則在嚴苛負載下最大限度地減少了能量損耗。工業(yè)環(huán)境要求元件能夠抵抗機械應力、污染和極端條件。

然而，碳化硅 (SiC) 也帶來了封裝挑戰(zhàn)。具有更高楊氏模量[1]的材料在熱循環(huán)期間會對鍵合線產生更大的機械應力，可能損害電氣連接。在高溫下工作的元件之間的熱膨脹失配進一步放大了應力效應。

[1] 楊氏模量通過測量彈性變形下應力與應變的比值來量化材料的剛度

先進的組裝技術、專用的鍵合材料和增強的熱管理系統(tǒng)對于緩解這些挑戰(zhàn)至關重要。碳化硅 (SiC) 必須在性能優(yōu)勢與成本考量、系統(tǒng)兼容性、穩(wěn)固的封裝以及符合安全標準之間取得平衡。盡管存在挑戰(zhàn)，碳化硅 (SiC) 已成為推進清潔能源系統(tǒng)和提高工業(yè)效率的基石技術。

了解更多關于 Wolfspeed 的功率循環(huán)和壽命建模方法https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/sic-power-module-reliability-wolfspeed-power-cycling-and-lifetime-modeling-approach/。

優(yōu)化碳化硅器件的功率封裝

隨著功率密度、效率和可靠性變得愈發(fā)關鍵，Wolfspeed 正在引入創(chuàng)新方法以增強器件性能并確保在苛刻條件下的耐久性。

在涉及頻繁功率和溫度循環(huán)的場景中，材料選擇和連接方法在保持可靠性和性能方面起著關鍵作用。碳化硅 (SiC) 器件的高開關速度和卓越的熱性能暴露了傳統(tǒng)硅 (Si) 基功率封裝的局限性。

傳統(tǒng)設計中的寄生電感會導致電壓過沖、振蕩和可靠性降低，迫使設計人員做出妥協(xié)，例如降低開關速度或使用更高額定值的元件，這增加了復雜性和成本。此外，來自電感路徑的柵極振蕩可能損壞碳化硅 (SiC) 器件敏感的柵極氧化層。要充分實現(xiàn)碳化硅 (SiC) 的優(yōu)勢——例如更高的效率和緊湊性——功率封裝必須針對碳化硅 (SiC) 進行優(yōu)化，以最小化電感、優(yōu)化電流路徑并增強整體系統(tǒng)性能和耐久性。

關于增強整體系統(tǒng)性能和耐久性更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/designed-to-last-even-in-the-harshest-environments/。

先進封裝解決方案

針對碳化硅 (SiC) 技術量身定制的現(xiàn)代封裝解決方案有效地應對了這些挑戰(zhàn)。通過減少功率回路、柵極回路和共源回路中的寄生電感，這些解決方案提高了效率，降低了開關損耗，并減少了電壓過沖。

Wolfspeed 通過先進的封裝和設計方法，采用全面綜合的方法來最小化寄生電感。開爾文源極連接的實施為柵極驅動電路提供了關鍵的隔離；減小大功率 di/dt 回路和開關節(jié)點 dv/dt 的耦合到柵極驅動電路。其結果是顯著降低了柵極回路電感、實現(xiàn)了更快的開關速度、最小化了功率回路和柵極回路之間的串擾，并減輕了開關過程中的芯片間振蕩。戰(zhàn)略性的模塊布局優(yōu)化通過精心的元件布置和明智地應用并聯(lián)電流路徑，著重于最小化換流回路面積。先進的封裝架構具有縮短的電流路徑和對稱的柵極驅動配置，共同減少了電磁耦合效應。這些設計原則在Wolfspeed 第四代 (Gen 4) MOSFET 平臺中得到進一步完善，該平臺集成了增強的耐久性和效率特性，從本質上最小化了寄生效應。這使得設計人員能夠使用額定值較低的碳化硅 (SiC) 器件，從而在保持性能的同時降低成本。

大多數(shù)標準的表面貼裝功率半導體器件通過器件底部散熱，該底部直接焊接在印刷電路板 (PCB) 上。PCB 通常在下方配備散熱器或冷卻板，以管理通過 PCB 中的導熱孔傳導的熱量。這種方法廣泛應用于各種電力電子應用，尤其是在 PCB 安裝的散熱器沒有尺寸或重量限制的情況下。

相比之下，頂部散熱 (TSC) 器件通過封裝頂部散熱。這些器件將其內部的芯片和引線框架結構翻轉，使其靠近頂面，從而實現(xiàn)向上的高效熱傳遞。TSC 器件特別適合高性能應用，如汽車和電動交通系統(tǒng)，其中緊湊、高功率密度的設計需要先進的熱管理技術。在這種情況下，TSC 器件通過降低系統(tǒng)的總熱阻來增強冷卻效率，從而實現(xiàn)更大的功耗能力和改善的熱性能。

Wolfspeed "U2" 頂部散熱 (TSC) 封裝在爬電槽兩側提供標準的 4.1 mm電氣間隙或沿爬電槽4.83 mm 的爬電距離，比市場上同類兼容尺寸的解決方案提高了 10%。Wolfspeed 還特殊設計了 U2 的漏極引腳，以提高系統(tǒng)制造可靠性，減少系統(tǒng)組裝過程中刺穿絕緣屏障的可能性。

關于 Wolfspeed "U2" 頂部散熱 (TSC) 封裝產品更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-mosfets/?package=U2%20%28TSC%29。

TSC 設計還釋放了 PCB 的底部空間以作他用，因為它不再作為散熱界面。這一變化（圖 1）通過將 PCB 從熱路徑中移除，改善了整體熱阻抗。此外，TSC 器件支持自動化組裝過程，提高了制造效率并降低了成本。

圖 1：TSC 器件通過封裝頂部散熱

革命性的互連技術

有效的芯片連接是穩(wěn)健功率器件性能的基石。傳統(tǒng)的引線鍵合——數(shù)十年的主要技術——正被先進的互連技術所取代，這些技術改善了熱性能和機械性能。降低熱阻對于實現(xiàn)更小的系統(tǒng)尺寸同時保持高功率密度至關重要。早期的設計依賴于厚銅散熱片與高導熱絕緣片配對，雖然有效，但裝配繁瑣并且在冷卻性能上存在局限性。

一個值得注意的發(fā)展是頂部夾片互連的采用（見圖 2），它提供了更低的電阻和電感、增強的熱管理以及卓越的機械可靠性。根據(jù)應用需求，銅夾片可以通過焊接、激光焊接或燒結連接，工藝靈活。將大面積銅夾片直接焊接到芯片上，增強了模塊內的電流承載能力并加強了連接。

圖 2：頂部夾片互連以及器件和封裝燒結

在芯片貼裝操作中，銀燒結已成為一項尖端技術。該方法利用熱量、壓力和時間，在芯片和功率基板的金屬化層之間形成牢固的結合。需要高功率和耐熱循環(huán)耐久性的應用極大地受益于銀燒結提供的機械結合強度，同時確保了優(yōu)異的導熱性。

冷卻技術的創(chuàng)新

隨著功率密度的增加，有效的熱管理對于保持性能和可靠性變得至關重要。直接冷卻技術在汽車應用中尤其具有變革性。例如，針鰭式冷卻設計在模塊的基板上集成鰭片，這些鰭片直接浸入逆變器系統(tǒng)的冷卻液中。這種方法有效地耗散芯片產生的熱量，確保以高溫性能卓越著稱的碳化硅 (SiC) 器件保持足夠低溫以維持連續(xù)功率輸出。

新型符合車規(guī)標準的六管集成功率模塊 (YM4)代表了針對嚴苛的汽車和電動交通應用優(yōu)化的先進封裝技術。這些創(chuàng)新模塊集成了多種先進解決方案，以滿足下一代碳化硅 (SiC) 應用的關鍵耐久性要求，而傳統(tǒng)封裝解決方案在這方面存在不足。

關于六管集成功率模塊 (YM4) 更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/?generation=Gen%204。

圖 3：1200V 六管集成功率模塊 (YM)

YM4 模塊采用燒結芯片貼裝技術，具有卓越的導熱性和機械可靠性，結合先進的環(huán)氧樹脂封裝材料，提供出色的環(huán)境保護和熱穩(wěn)定性。銅夾片互連系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)鍵合線的限制，實現(xiàn)了更高的電流密度和改善的熱管理。這種全面的封裝方法在相同尺寸下，提供了比同類最佳競爭器件多三倍的功率循環(huán)次數(shù)，確保在極端熱循環(huán)條件下的延長運行壽命。

圖 4：新型 1200V 第四代 (Gen 4) 六管集成功率模塊的功率循環(huán)能力是其他領先替代器件的三倍

增強可靠性

可靠性是功率器件設計的基石，尤其是在必須滿足 AEC-Q101 和 AQG324 等嚴格認證標準的汽車應用中。這些標準要求模塊經(jīng)過嚴苛的可靠性和可靠性后測試，確保它們能夠承受苛刻的汽車環(huán)境。

一項顯著的創(chuàng)新是從凝膠基封裝劑向環(huán)氧樹脂模塑料的轉變。與可能吸收水分并導致電弧問題的凝膠不同，環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的抗?jié)駳馇秩肽芰Γ瑫r增強了結構完整性。這一進步加強了互連點周圍的機械屏障，提高了模塊的整體耐久性。

車規(guī)級單開關塑封模塊 (TM4)通過創(chuàng)新的封裝技術展示了卓越的熱工程。通過實施銅夾片鍵合結合銀燒結封裝，這些模塊實現(xiàn)了高達 8% 的熱性能提升，同時增強了功率循環(huán)能力。

關于車規(guī)級單開關塑封模塊 (TM4) 更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/?generation=Gen%204&package=TM。

圖 5：車規(guī)級單開關塑封功率模塊 (TM)

壓接引腳技術和低電感設計

壓接引腳技術的進步使得連接到印刷電路板 (PCB) 的電流容量更高。新設計將標準引腳的典型電流處理能力提高了一倍，支持緊湊模塊配置中更高的功率密度。

低電感對于實現(xiàn)干凈高效的開關至關重要。大電感會導致大的電壓尖峰擺動和振蕩，從而降低效率并給元件帶來應力。通過采用內部母排和夾片附件，先進設計的電感可低至 5 nH。這一改進最大限度地減少了振蕩，降低了開關損耗，并提高了整體系統(tǒng)效率。

Wolfspeed WolfPACK 代表了電力電子封裝的重大進步。WolfPACK 模塊（圖 6）設計靈活，可根據(jù)需要定制以適應各種電力電子拓撲結構，涵蓋半橋、全橋、T-型和六管集成配置，并可擴展以滿足不同的功率需求。

WolfPACK 創(chuàng)新的一個關鍵在于其利用壓接技術。這種創(chuàng)新方法消除了對傳統(tǒng)焊點的需求，從而帶來幾個關鍵優(yōu)勢。通過取消焊接，熱阻顯著降低，實現(xiàn)了更有效的散熱，從而提高了功率密度。此外，沒有焊點減輕了焊料疲勞的風險（這是傳統(tǒng)功率模塊中常見的可靠性問題來源），從而增強了長期耐久性。

此外，WolfPACK 模塊經(jīng)過精心設計，集成了熱管理解決方案，例如內置的 NTC (Negative Temperature Coefficient, 負溫度系數(shù))。Wolfspeed 認識到有效的散熱對于碳化硅器件的最佳性能至關重要，并將復雜的冷卻機制融入模塊設計中。這確保了器件在安全的溫度限值內運行，最大限度地提高了其效率和壽命。

圖 6：2300V Wolfspeed WolfPACK 碳化硅功率模塊

結論

先進封裝解決方案、創(chuàng)新互連技術和有效熱管理策略的集成，擴展了碳化硅 (SiC) 功率器件的能力。這些發(fā)展不僅提高了可靠性和效率，還支持更高的功率密度，為在汽車、工業(yè)和可再生能源領域實現(xiàn)更緊湊、更強大和更節(jié)能的系統(tǒng)鋪平了道路。

為滿足客戶關鍵的性能期望并實現(xiàn)全面的電氣化，Wolfspeed 在碳化硅 (SiC) 芯片技術和先進封裝解決方案兩方面推動持續(xù)創(chuàng)新，最大限度地發(fā)揮碳化硅 (SiC) 在汽車、工業(yè)和能源應用中的變革潛力。

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