Si-SiC混合功率模块的低感及低热阻封装研究.pdf

收稿日期:基金项目:安徽省自然科学研究重大项目()安徽省高校优秀青年人才支持计划项目()第一作者简介:周云艳()女硕士讲师主要从事功率半导体封装技术的研究通信作者:鲍婕()女博士教授主要从事功率半导体封装技术的研究文章编号:():././.混合功率模块的低感及低热阻封装研究周云艳鲍 婕胡 娟周 斌(.黄山学院 机电工程学院安徽 黄山.黄山谷捷股份有限公司安徽 黄山)摘要:功率集成模块相比于传统的离散系统具有体积小、功率大、集成度高、寄生参数小以及频率特性好等优点广泛用于工业传动、家用及车用空调、辅助逆变器等场合 论文以包含有整流、制动、逆变多单元结构组成的功率集成模块为例分析 混合模块相比于全硅模块的性能优势提出在低损耗的基础上进一步减小封装寄生电感和封装结构热阻的优化方案提升功率集成混合模块的封装性能 通过对母线连接端子的位置和功率芯片的衬板图形进行优化可将混合模块逆变电路各相之间的封装寄生电感差异降低.进一步应用局部双层衬板结构以及高导热石墨烯复合材料等当热流密度达到 /以上时模块最高温度降幅可达 论文对 混合功率模块的低感及低热阻封装进行研究为充分发挥 材料的优势提供了有益的参考关键词:混合功率模块封装寄生电感热阻中图分类号:文献标志码:(.):.:电能转换效率以及功率密度的提升一直是功率电子行业不断追求的目标在我国“碳达峰、碳中和”的双碳战略目标背景下节能降耗成为各领域产业发展关注的焦点 而变频技术在节能低碳方面的应用举足轻重极大地推动了其核心部件即功率模块的快速发展 将多个电路单元集成封装在 个模块里可以组成不同电路拓扑结构的功率集成模块()不仅具有体积优势在一定程度上也能够改善离散系统中由连线带来的寄生问题 在 中最主要的功能模块是由绝缘栅双极型晶体管(第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().)和快恢复二极管()并联组成的电路单元构成的逆变模块一直是以硅基器件作为主流 近年来随着第 代宽禁带半导体材料碳化硅()产业链的快速发展 功率器件的设计制造成为国内外功率电子行业广泛关注的研究方向 其低导通内阻、高耐压、高开关频率、高耐温等优异性能开启了使用 功率器件替代传统硅基器件来提升 整体性能的产品研发之路 其中由硅基 和 基二极管组成电路单元构成的混合功率集成模块是性价比较高的产品方案 混合功率集成模块虽然可以突破传统硅基器件的性能极限但由于材料特性差异其封装结构、封装材料和工艺都面临新的挑战 器件开关速度仅为几十纳秒对功率模块的封装寄生电感极为敏感需要重点关注低感封装技术 同时由于相同电流等级的 芯片面积更小热通量是 芯片的 倍其封装热阻就极为关键需要突破低热阻封装技术 在低感封装研究中人们发现增大互连结构横截面积、减小换流回路的长度、缩短输出端子或增大其宽度都可以有效降低模块的自感 另外通过规划布局将电流方向相反的导体路径邻近放置可以实现回路互感对消 在低热阻封装研究中缩短传热距离、增大传热面积以及提高材料热导率都是有效减小封装结构热阻的方法如取消金属底板、加装横向高导热结构、双面散热以增加散热路径等 论文具体研究 混合 的封装结构由于模块是由多电路单元集成低感和低热阻的优化方案互相制约需要统筹设计提出了封装电感和封装热阻综合性能最优的设计方案并进行验证 混合功率模块的结构分析与测试.混合功率模块的电路拓扑 混合 主要是面向工业变频驱动、商用暖通空调或电动汽车的辅助逆变器等应用领域模块由整流、制动、逆变 个单元电路构成如图 所示 整流单元由 个 二极管构成三相整流桥结构如图()所示 制动单元由 个 基 和 个 基肖特基势垒二极管()串联组成如图()所示 逆变单元中每个 基 和 基 并联为 组 组构成三相桥式逆变电路如图()所示 ()整流单元 ()制动单元 ()逆变单元图 混合功率集成模块的电路拓扑.()外观结构 ()内部结构图 混合功率集成模块的封装结构.混合功率集成模块的封装结构论文选取的混合功率模块样品电压电流规格为/以 形式封装 外观和输出端子封装结构如图()所示这类封装的引脚可在网格式的系统里灵活分布非常适合定制化的引脚排列需求混合模块内部结构如图()所示由于逆变单元工作时 组功率器件发热量较大模块衬板分配了一半面第 期 周云艳等:混合功率模块的低感及低热阻封装研究 积用于 基 和 基 的排布和散热 相比之下制动单元区域面积较小其中 与逆变单元的上桥臂共用 块衬板由 端子连接直流母线.功率集成模块的性能测试为了对比分析 混合模块与全硅模块的性能差异委托中国科学院电工研究所高频场控功率器件及装置产品质量检验中心分别在、温度下对 混合模块和全硅模块 种 的开通和关断时间、能量以及反向恢复峰值电流和能量进行检测相关测试结果如图 所示 由图()可知混合 的开通损耗和关断损耗相比全硅 都大幅下降 基 的反向恢复损耗几乎可以忽略不计而且 混合 的开关损耗高温稳定性较好尤其是开通损耗几乎不随温度升高而增加 在测试得到的实验数据中选取同相开通损耗及关断损耗进行对比以 相为例相比于全 混合 在室温下开关损耗降低约 下开关损耗降低约 下开关损耗降低约 图()给出的是 混合模块相比于全硅模块在开通时间、关断时间与反向恢复电流减小的百分比可见随着温度的提高 混合模块的优势越来越显著 采用 基 替换 基快恢复二极管与 基 组成混合功率集成模块虽然开关性能不如全 模块但已经可以大幅降低模块的开关损耗、开通时间、关断时间与反向恢复电流是性价比较高的方案()混合功率模块与全硅模块的开关损耗对比 ()混合功率模块开通、关断时间与反向恢复电流的减小百分比图 混合功率模块与全硅模块的性能比较.图 考虑寄生参数的开关等效电路模型.混合功率模块的封装优化与验证.低寄生电感研究从模块内部布局结构可以得到考虑寄生参数的开关等效电路模型如图 所示 该模型是由 个硅基 和 个 基 串联组成的单元电路包括直流母线电压、驱动电压、直流母线电容、负载电感 以及封装的寄生参数 其中、和 分别为 电极间的寄生电容为 基 的寄生电容、和 分别为 发射极、集电极和栅极的寄生电感和 是 两端的寄生电感可以看作 个电感()是栅极驱动电阻 论文只分析模块内部(不含引脚和直流母线)的封装寄生电感、以及它们之间的互感构成功率换流回路电感记为 在关断过程中功率换流回路的集电极电流 迅速下降在寄生电感、和 上出现感应电压从而导致电压 的过冲和振荡 该过冲量就是通过 电感产生的估算公式如下:(/)/()式()中 表示真空磁导率 为换流回路面积 为导体横截面积 为换流回路周长 从式()可以看出改变换流回路的布局减小面积 增大周长 都可以减小 的值利用有限元分析方法提取各功率换流回路的寄生电感因连接直流母线的端子 位于逆变单元的右边如图()所示使得逆变电路、三相换流回路路径的长短不同电感 差异很大 如表 中原始结构的电感值所示 相距离 端子最远换 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷流回路面积最大电感 最大接下来是 相 相的回路电感 最小 该差异会造成过冲电压之间的很大差距从而使得三相电路工作不平衡表 各换流回路的寄生电感.制动电路电感/逆变电路电感/上下上下上下原始.()原始结构()优化结构图 的低寄生电感优化方案.为了平衡逆变电路各相的换流回路电感改变 端子的位置如图()所示分别移至 相附近的 位置和 相附近的 位置寄生电感如表 对应栏所示 综合考虑逆变电路各相电感的改变将 端子移至 位置优化效果最好其中各回路电感 都有一定程度的减小各相之间的差异由.减小到.减小了三相电路工作的不平衡性 然而该方案使制动电路的寄生电感明显增加这将使制动电路的开关性能恶化因此有必要进一步优化制动单元的封装结构 在图()中微调了制动单元中 的位置将制动单元 的衬板图形、芯片位置及方向、输出端子排布做了改变 经计算得到布局优化后的制动电路寄生电感从.降到了.很好地解决了输出端子优化方案带来的问题图 混合功率模块的热耗散路径示意.图 混合功率模块原始结构的温度分布.除了上述改变母线输出端子的位置以及优化制动单元功率芯片衬板图形以外减小键合线电感也是一种可行的优化方案 在图()中如果采用上层铜衬板替代电路中功率芯片上表面的键合线就可以增加互连结构的横截面积进一步降低各换流回路的寄生电感.低热阻研究热阻是衡量封装水平的一项重要指标不仅量化了模块内的热传递过程也表征了模块封装的优化方向 热阻的大小直接关系到模块的电热稳定性因此 混合功率集成模块的低热阻设计是一项关键技术 在论文的 混合 中功率芯片产生的热量通过芯片下焊料层、覆铜陶瓷衬板()、衬板下焊料层、基板、导热硅脂、散热器耗散到周围环境中 其热耗散路径如图 所示其中各薄层结构的热阻如式()所示:/()式()中 为材料厚度 为材料导热系数 为传热面积可以看出通过减小结构的厚度或增加结构的导热系数和面积都可以降低其热阻利用有限元方法仿真分析 混合 工况下的温度分布情况如图 所示 其中将逆变单元中 芯片的功耗设置为 /片 基 芯片的功耗设置为/片制动单元中 芯片的功耗设置为 的功耗设置为 整流单元中二极管的功耗设置为 /片热第 期 周云艳等:混合功率模块的低感及低热阻封装研究 通量条件设置为强制风冷 模块的最高温度出现在逆变单元的 芯片上由于模块设计时考虑到该单元功耗较大且分布集中所以预留了较大的衬板面积即散热空间给逆变单元却导致制动单元空间狭窄散热条件较差因此从仿真计算结果可以看到制动单元 芯片上温度也较高在.节低寄生电感研究中为了保证制动电路的开关性能而对该单元衬板图形进行了调整 通过对布局优化的 仿真计算发现逆变单元和制动单元的 芯片最高温度都略微增大尤其是制动单元的芯片温度从.上升至.主要是因为布局优化结构中虽然适度增大了制动单元 芯片的衬板面积但增大程度有限却使芯片距离发热较为集中的逆变单元更近了如图()所示 如果考虑局部双层衬板的优化方案采用上层铜衬板替代制动单元中 芯片上表面的键合线一方面可以降低换流回路的寄生电感另一方面由于增加了热量的传导路径也可以减小该部分的热阻如图()所示制动单元的 芯片温度从.下降到.论文仅在制动单元局部使用了双层衬板方案如果在逆变单元也同样采用上层铜衬板替代键合线的优化结构即可以同时实现进一步降低模块寄生电感和模块整体热阻的优化目标()布局优化方案 ()双层衬板方案图 混合功率模块改进结构的温度分布.图 改进结构和原始结构的最高温度随热流密度的变化.除了上述的布局优化和双层衬板方案以外从式()可以看出如果想要进一步提升模块的散热效果可以使用具有高导热特性的材料来降低模块的热阻 石墨烯具有很高的横向热导率单层悬浮石墨烯的热导率远高于铜、铝等传统金属散热材料论文以文献中提到的石墨烯复合材料为参考采用导热系数为/()的/石墨烯纳米片()异质结构薄膜代替图()中的上层衬板并采用导热系数为/()的石墨烯复合材料作为灌封材料 仿真结果表明制动单元中 芯片的最高温度从.进一步降低为.证实了高导热石墨烯在改善 模块热管理中的有效作用 同时逆变单元和整流单元的最高温度都得到一定程度的下调随着混合 热流密度的提高该优化效果会更加显著改进结构和原始结构的最高温度随热流密度的变化如图 所示 由图 可知制动单元热流密度逐渐增大时优化后的封装结构相比 的原始结构 芯片上的最高温度下降幅度越来越大当热流密度达到/以上时最高温度降幅可达 之多 结论 混合功率集成模块相比全硅模块常温下开关损耗降低约 温度升高时其低损耗优势更加明显具有广泛的应用前景 封装寄生电感和封装结构热阻都是影响 混合功率集成模块性能发挥的重要因素论文从母线连接端子的位置、功率芯片的衬板图形、局部双层衬板结构以及高导热石墨烯复合材料几个方面对 混合功率集成模块的封装结构进行逐步优化将逆变电路各相之间的封装寄生电感差异降低.减小了三相电路工作的不平衡性 同时模块封装的热管理结构得到优化当热流密 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷度达到/以上时最高温度降幅可达有望进一步提升 混合功率集成模块的功率等级扩展其应用范围参考文献:叶宇剑袁泉汤奕.面向双碳目标的交通网电网耦合网络中电动汽车负荷低碳优化方法.中国电力():.魏泓屹卓振宇张宁等.中国电力系统碳达峰碳中和转型路径优化与影响因素分析.电力系统自动化():.():.余跃.基于双面散热功率模块的车用逆变器设计与集成.重庆:重庆大学.():.王来利赵成张彤宇等.碳化硅功率模块封装技术综述/.电工技术学报().:/./.:./.曹建武罗宁胜 等.碳化硅器件挑战现有封装技术.电子与封装():.李永皓.基于 埋入封装的 功率模块和应用研究.杭州:浙江大学.李宇雄.基于层叠 的低杂散参数 混合封装集成模块关键技术研究.武汉:华中科技大学.曾正.功率器件的封装测试与系统集成.北京:科学出版社:.():.():.():.():.():.():.():.():.:.():.责任编辑:郑玥雷第 期 周云艳等:混合功率模块的低感及低热阻封装研究