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碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究2 2022-07-05 11:04
参考文献：周伟成，碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究【D】，浙江大学，2019（转发请注明出处及作者）
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块
碳化硅器件具有高速、高频、高温的优点，而传统的分立封装方式无法满足碳化硅的性能要求，因此出现了一些适合碳化硅器件的新型分立式封装，比如Ｃｒｅｅ公司的Ｃ３Ｍ００６５０９０Ｊ，这款器件具有７个管脚，功率地和信号地从芯片位置分离，相对于传统Ｔ０２４７或者ＴＯ２２０封装，这种封装极大地减小了同源极电感，使得器件的开关速度更快、开关振荡更小、器件更安全。
分立器件适用于低功率的应用，当功率等级达到十千瓦、百千瓦甚至更高功率的时候分立器件便无法满足功率容量的要求，此时需要采用模块封装的功率器件，即功率模块。功率模块是器件的集合和扩展，集合了器件本身性能和封装性能，所以功率模块的性能不光在于半导体器件本身，还在于封装和结构。相对于传统ＳｉＩＧＢＴ功率模块来说ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模块对封装的要求更高，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模块的设计和制成难度亦将高于ＳｉＩＧＢＴ模块。目前，关于ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块的研究大致分以下几个方面：
尚温应用
碳化硅材料具有耐高温特性，能在硅器件无法承受的高温环境中安全工作，甚至可以在高温材料的封装内正常工作在５００°Ｃ。凭着材料的耐高温特性，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＥ功率模块的高温优点可以体现在以下两点，一是适用于有绝对高温要求的极端环境，二是提高结温和环境温度而降低系统尺寸和成本。
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块的高温应用涉及到封装材料和散热系统。功率模块由多个组件构成，例如密封肢、陶瓷衬底、底层导热基板等等，毎个组件都有各自的材料属性要求。比如底层导热基板，需要机械强度高，散热能力好的材料，铜是比较常见的基板材料，除此之外还有人造钻石、天然石墨、碳纤维等等。模块组件中的每种材料还要按照电气应力、热应力以及机械应力的要求，同时兼顾与之相连部件的材料特性匹配来进行选择，因此模块内部组件材料的选择是模块制备工艺过程中一个非常重要的步骤。高温功率模块的材料选择上，封装材料不仅要满足温度的要求，还要考虑高温条件下的可靠性。高温应用模块的关键材料之一是密封胶，密封胶覆盖陶瓷衬底上表面的所有组件，在满足温度要求的同时还要需要考虑其与陶瓷衬底、芯片以及键合线的热膨胀系数是否匹配，相关文献中以类似的原则设计了一款高温应用的碳化硅ＭＯＳＦＥＴ功率，密封胶选择了２５０°Ｃ的材料（ＨｙｓｏｌＥＯ１０６１），功率模块工作的环境温度可以达到２００°Ｃ。高温应用的碳化硅ＭＯＳＦＥＴ功率模块，不仅要考虑模块自身的耐高温性，还要对模块附近其余电路材料和器件做高温设计。图１．５所示为集成了驱动电路板的功率模块，由于驱动电路紧贴功率模块，驱动回路紧凑，可以满足高速开关的需求，但是由于模块的驱动电路只能在１０５°Ｃ工作，所以尽管文献中号称该模块可以工作的最高环境温度可达２００°Ｃ，但实际上最高温度会受驱动电路的限制。
高温应用的另一个问题是模块的散热设计。“散热”是功率模块的常态，模块内都是发热器件，模块在工作的同时也一直产生热量。当模块处在最大设计功耗情况下，散热系统能及时地把模块内部产生的热量耗散掉，是功率模块可靠性的基本要求。功率模块内最大的发热源是开关器件，传统的封装方式是将芯片单面焊接于陶瓷衬底的表面铜皮上，芯片产生的热通过焊料和铜皮，再经过陶瓷层，再穿过衬底下方铜皮和焊料到达底层基板，即所谓的模块外売，再通过导热硅脂等材料，热量很快就能从基板扩散到散热器。这种方式，芯片只有单面散热的途径，而另一面几乎对散热过程没有太大作用。现在的一些封装方式考虑了双面散热的方式，将原先的正面焊铝线键合方式改成全焊接或者－源极焊接＋栅极铝线键合的方式，不仅改善了导电性能也提高了散热效率。
封装形式和布局的优化
布局（Ｌａｙｏｕｔ）优化，是将模块内部的主要电流回路走线进行优化设计。功率模块本身是一个很紧凑的功率集合，在提高高功率密度的前提下既要合理设计散热路径，还要合理设计电回路。比较传统的做法是设计和优化器件位置，进而优化高频回路，文献提到一种优化方法，将传统半桥回路的走线进行优化。具体的做法如图１．６所示，把上下桥臂的二极管位置交换，并在模块内部集成解耦电容，使得高频开关回路尽量的小，达到抑制尚频振荡的目的。解稱电容的集成能够极大减小尚频回路的寄生参数，然而在尚温应用或是震动比较剧烈的环境比如汽车内应用，需要考虑可能因高温和震动产生的可靠性问题。
封装形式优化，是根据ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的预期性能采用更先进更合理的封装方法，包括模块主体结构的组件的增减，芯片焊接和键合方式，等等。文献提出了一种改进陶瓷衬底的空间结构的方法，采用多层板，形成空间走线。这样做的好处是，一方面充分利用模块内部空间，优化电路走线，减小高频回路面积；另一方面可以形成一个Ｂｕｓｂａｒ的复层结构，起到分布电感相互耦合的作用，进一步减小寄生电感。采用多层陶瓷的方式使得芯片散热效率得到提升，同时回路抗高频振荡的性能也得到加强，但多层板覆盖面积不大，在散热方面的整体效果有限。另一种做法是芯片双面银烧结代替焊锡，上下两面散热，并再做成Ｂｕｓｂａｒ结构，这种做法可以让线路的寄生电感减小，同时又能保证散热，而且由于芯片是双面固定，还能提高机械强度，适合于电动汽车应用。
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块
碳化硅器件具有高速、高频、高温的优点，而传统的分立封装方式无法满足碳化硅的性能要求，因此出现了一些适合碳化硅器件的新型分立式封装，比如Ｃｒｅｅ公司的Ｃ３Ｍ００６５０９０Ｊ，这款器件具有７个管脚，功率地和信号地从芯片位置分离，相对于传统Ｔ０２４７或者ＴＯ２２０封装，这种封装极大地减小了同源极电感，使得器件的开关速度更快、开关振荡更小、器件更安全。
尚温应用
碳化硅材料具有耐高温特性，能在硅器件无法承受的高温环境中安全工作，甚至可以在高温材料的封装内正常工作在５００°Ｃ。凭着材料的耐高温特性，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＥ功率模块的高温优点可以体现在以下两点，一是适用于有绝对高温要求的极端环境，二是提高结温和环境温度而降低系统尺寸和成本。
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块的高温应用涉及到封装材料和散热系统。功率模块由多个组件构成，例如密封肢、陶瓷衬底、底层导热基板等等，毎个组件都有各自的材料属性要求。比如底层导热基板，需要机械强度高，散热能力好的材料，铜是比较常见的基板材料，除此之外还有人造钻石、天然石墨、碳纤维等等。模块组件中的每种材料还要按照电气应力、热应力以及机械应力的要求，同时兼顾与之相连部件的材料特性匹配来进行选择，因此模块内部组件材料的选择是模块制备工艺过程中一个非常重要的步骤。高温功率模块的材料选择上，封装材料不仅要满足温度的要求，还要考虑高温条件下的可靠性。高温应用模块的关键材料之一是密封胶，密封胶覆盖陶瓷衬底上表面的所有组件，在满足温度要求的同时还要需要考虑其与陶瓷衬底、芯片以及键合线的热膨胀系数是否匹配，相关文献中以类似的原则设计了一款高温应用的碳化硅ＭＯＳＦＥＴ功率，密封胶选择了２５０°Ｃ的材料（ＨｙｓｏｌＥＯ１０６１），功率模块工作的环境温度可以达到２００°Ｃ。高温应用的碳化硅ＭＯＳＦＥＴ功率模块，不仅要考虑模块自身的耐高温性，还要对模块附近其余电路材料和器件做高温设计。图１．５所示为集成了驱动电路板的功率模块，由于驱动电路紧贴功率模块，驱动回路紧凑，可以满足高速开关的需求，但是由于模块的驱动电路只能在１０５°Ｃ工作，所以尽管文献中号称该模块可以工作的最高环境温度可达２００°Ｃ，但实际上最高温度会受驱动电路的限制。
高温应用的另一个问题是模块的散热设计。“散热”是功率模块的常态，模块内都是发热器件，模块在工作的同时也一直产生热量。当模块处在最大设计功耗情况下，散热系统能及时地把模块内部产生的热量耗散掉，是功率模块可靠性的基本要求。功率模块内最大的发热源是开关器件，传统的封装方式是将芯片单面焊接于陶瓷衬底的表面铜皮上，芯片产生的热通过焊料和铜皮，再经过陶瓷层，再穿过衬底下方铜皮和焊料到达底层基板，即所谓的模块外売，再通过导热硅脂等材料，热量很快就能从基板扩散到散热器。这种方式，芯片只有单面散热的途径，而另一面几乎对散热过程没有太大作用。现在的一些封装方式考虑了双面散热的方式，将原先的正面焊铝线键合方式改成全焊接或者－源极焊接＋栅极铝线键合的方式，不仅改善了导电性能也提高了散热效率。
布局（Ｌａｙｏｕｔ）优化，是将模块内部的主要电流回路走线进行优化设计。功率模块本身是一个很紧凑的功率集合，在提高高功率密度的前提下既要合理设计散热路径，还要合理设计电回路。比较传统的做法是设计和优化器件位置，进而优化高频回路，文献提到一种优化方法，将传统半桥回路的走线进行优化。具体的做法如图１．６所示，把上下桥臂的二极管位置交换，并在模块内部集成解耦电容，使得高频开关回路尽量的小，达到抑制尚频振荡的目的。解稱电容的集成能够极大减小尚频回路的寄生参数，然而在尚温应用或是震动比较剧烈的环境比如汽车内应用，需要考虑可能因高温和震动产生的可靠性问题。
