采用先進碳化硅封裝技術有效提升系統耐久性

Adam Barkley 博士，Wolfspeed 功率半導體研發副總裁

引言

眾多行業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。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，但在苛刻環境下實現高性能和高可靠性——即真正的系統耐久性——正成為普遍的期望。可靠性關注測試結果的一致性，而耐久性則側重于在惡劣環境下長期持續運行。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）終端系統在苛刻環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。

要充分實現碳化硅 (SiC) 的性能和耐久性優勢，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) 功率器件封裝的創新，重點介紹了它們在滿足現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、工業及可再生能源電站領域。

汽車和工業應用中嚴格的性能期望

電動汽車轉型需要穩健的快速充電基礎設施，系統功率范圍從 50kW 到 1MW 以上。一個典型的 50kW 充電機每天執行 20 次循環，十年內累計超過 70,000 次循環，這要求功率模塊在從環境溫度到高結溫的廣泛溫度循環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，超越了傳統的硅 (Si) IGBT。碳化硅 (SiC) 實現了光伏逆變器和風力發電系統中的高效能量轉換，可處理 1.2kV 至 3.3kV+ 的電壓，同時在 150°C 以上可靠運行，減少了惡劣環境下的冷卻需求。

在工業應用中，碳化硅 (SiC) 提高了電機驅動、機器人和自動化系統的功率密度。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。工業環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。具有更高楊氏模量[1]的材料在熱循環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對于緩解這些挑戰至關重要。碳化硅 (SiC) 必須在性能優勢與成本考量、系統兼容性、穩固的封裝以及符合安全標準之間取得平衡。盡管存在挑戰，碳化硅 (SiC) 已成為推進清潔能源系統和提高工業效率的基石技術。

了解更多關于 Wolfspeed 的功率循環和壽命建模方法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關鍵，Wolfspeed 正在引入創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硅 (Si) 基功率封裝的局限性。

傳統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，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。要充分實現碳化硅 (SiC) 的優勢——例如更高的效率和緊湊性——功率封裝必須針對碳化硅 (SiC) 進行優化，以最小化電感、優化電流路徑并增強整體系統性能和耐久性。

關于增強整體系統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) 技術量身定制的現代封裝解決方案有效地應對了這些挑戰。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。戰略性的模塊布局優化通過精心的元件布置和明智地應用并聯電流路徑，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，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 器件通過降低系統的總熱阻來增強冷卻效率，從而實現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，以提高系統制造可靠性，減少系統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健功率器件性能的基石。傳統的引線鍵合——數十年的主要技術——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。降低熱阻對于實現更小的系統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，同時確保了優異的導熱性。

冷卻技術的創新

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功率輸出。

新型符合車規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化的先進封裝技術。這些創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，結合先進的環氧樹脂封裝材料，提供出色的環境保護和熱穩定性。銅夾片互連系統消除了傳統鍵合線的限制，實現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次數，確保在極端熱循環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境。

一項顯著的創新是從凝膠基封裝劑向環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，環氧樹脂具有優異的抗濕氣侵入能力，同時增強了結構完整性。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。

車規級單開關塑封模塊 (TM4)通過創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，這些模塊實現了高達 8% 的熱性能提升，同時增強了功率循環能力。

關于車規級單開關塑封模塊 (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 創新的一個關鍵在于其利用壓接技術。這種創新方法消除了對傳統焊點的需求，從而帶來幾個關鍵優勢。通過取消焊接，熱阻顯著降低，實現了更有效的散熱，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)。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、工業和可再生能源領域實現更緊湊、更強大和更節能的系統鋪平了道路。

為滿足客戶關鍵的性能期望并實現全面的電氣化，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創新，最大限度地發揮碳化硅 (SiC) 在汽車、工業和能源應用中的變革潛力。

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關于 Wolfspeed, Inc.

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