高壓功率器件封裝設計說明

可再生能源應用以及各種能效技術需要可靠、緊湊和熱效率高的電源設備。為了推動風力渦輪機、智能電網(wǎng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光伏和電動汽車的創(chuàng)新，1需要具有高功率密度、高開關頻率以及能夠在極端溫度和電壓下運行的能力的設備。要求苛刻的電源應用帶來的挑戰(zhàn)不僅涉及設備本身，還涉及設備周圍的封裝。盡管硅長期以來一直主導著電源應用，但對提高效率和功率密度以及增強性能和降低成本的需求，已經(jīng)促使電力電子領域向碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導體轉(zhuǎn)變。2盡管寬禁帶器件近年來已開始進入商業(yè)市場，但其功率器件封裝設計3尚未成熟，尤其是在高溫高壓應用方面。在本文中，將介紹為此目的而制造的 5kV 雙面冷卻 GaN 功率模塊（作為高級研究計劃署 - 能源部資助的研究的一部分）。在這里閱讀原文。

功率器件封裝設計

GaN 功率模塊的設計如圖 1 所示。它包括四個與封裝頂部和底部的鉬柱鍵合的 GaN 器件。柱子的外端用陶瓷物質(zhì)氧化鋁 (Al 2 O 3 ) 鍵合到直接鍵合銅 (DBC) 基板上。盡管在此封裝設計中基板連接到 DBC 基板的外表面，但材料疊層也可以在 DBC 層終止。在某些情況下，具有基板是有利的，因為它允許在封裝內(nèi)進行更多的熱量分布，從而提高熱管理解決方案的效率。

圖 1：GaN 功率模塊的設計

熱分析

熱模擬旨在確定在設計限制范圍內(nèi)冷卻設備的最佳方法，并評估所提出的冷卻技術的有效性。有限元分析用于評估兩種冷卻技術，如圖 2 所示。熱交換器方法（圖 2，頂部）類似于傳統(tǒng)的冷板冷卻，在封裝的兩側(cè)都有熱交換器。對流傳熱系數(shù)用于表示熱交換器 (h)。

由于傳導路徑較長，5 kV 設計需要將端子物理分離，并且封裝填充有用于電絕緣的介電流體。因此，使用傳統(tǒng)方法（圖 2，頂部）從封裝中去除熱量變得更具挑戰(zhàn)性。另一種解決方案（圖 2，底部）試圖通過使用介電流體作為冷卻劑和長的電氣支架或柱作為散熱片，將這一缺點轉(zhuǎn)化為冷卻優(yōu)勢，從而有效地將封裝轉(zhuǎn)變?yōu)闊峤粨Q器。

圖 2：冷卻解決方案 - 熱交換器（頂部）和油流通（底部）

對流傳熱系數(shù)的范圍從 10 W/m 2 K（代表空氣中的自然對流）到 100,000 W/m 2K，代表非常激進的單相液基換熱器或相變傳熱，用于評估和比較兩種冷卻方法。油流通設計比熱交換器設計表現(xiàn)更好。此外，對于在設備附近沒有水基冷卻劑的應用來說，這是一種很有前途的技術。然而，為了有效地工作，需要在柱子上增加額外的表面增強（如鰭片），這反過來又需要對電氣設計進行額外的設計和評估，以確保表面增強不會導致不需要的放電。還需要額外的設計工作來優(yōu)化通過封裝的流體流動。

沿著通過器件中間的一條線繪制溫度曲線，以檢測封裝內(nèi)的熱問題點（圖 3 中的點 1 到 2）。高溫梯度位置（圖中的水平線）表示高熱阻元件，而低溫梯度位置（垂直線）表示高導熱元件。DBC 基板和熱界面材料在封裝中具有最高的單位長度熱阻。

圖 3：整個封裝的溫度曲線

為了充分利用雙面冷卻，評估了三種替代設計：一個 DBC 上的所有設備以及在兩個 DBC 之間拆分設備的兩種版本。圖 4 顯示了 300 W/cm 2的目標熱通量，以及用于比較的基線（中間的設備）。如果封裝僅使用一個 DBC，則目標熱通量的換熱器性能要求將降低到 3,100 W/m 2 K，如果封裝在兩側(cè)都使用換熱器，則為2,200 W/m 2 K。將器件均勻分布在兩個 DBC 上所需的換熱器性能（內(nèi)聯(lián)或?qū)蔷€布局，如圖 4 所示）降低到 1,400 W/m 2 K。

圖 4：三種替代設計的比較

使用計算流體動力學對現(xiàn)成熱交換器的性能進行量化，發(fā)現(xiàn)熱交換器可以用于雙面冷卻布局，但不能用于單面冷卻布局或中心設備布局。

熱機械分析

熱機械模擬的目標是查看一些功率器件封裝設計的可靠性，特別是對角線、內(nèi)聯(lián)和基線配置，如圖 4 所示。在熱循環(huán)負載條件下，應變能密度計算并比較了這些包裝設計中各種附件層中的值。將負載應用于從 –40°C 到 200°C 的熱循環(huán)，升溫速率為 5°C/分鐘，在兩個極端溫度下停留 10 分鐘，并獲得每個循環(huán)的應變能量密度數(shù)據(jù)在不同的附著層。

圖 5 顯示了基線、對角線和直列功率器件封裝設計中幾層的應變能量密度值。獲得的結果表明，post attach 最容易受到熱循環(huán)退化的影響，其次是 device attach 和 device post-attach。此外，在各種功率器件封裝設計配置中，附著層的熱機械性能沒有明顯差異。