Easy, EconoPIM, Flow, MiniSKiip 等封装采用针脚出线形式,能很好的满足诸如NPC, Braker, APF, 整流等复杂拓扑或者结构的应用;
PrimePACK, IHV等封装则是在芯片并联的基础上又通过内置母排并联了多个DBC以实现更高的功率。XHP封装其实也是类似上述的大功率模块,差异在于减少了DBC并联,同时优化外部结构利于外部模块级别并联以满足应用端更加灵活的设计需求。
HybridPACK,DCM1000, M653等模块则是典型的汽车级模块,采用少量芯片并联,直接水冷方式以提供功率密度,DCM1000的半桥结构则是为了提供更加灵活的应用设计,Molding的封装形式以及三直流端子的母线设计也可以很好的兼容SiC模块的设计。
后面的Hybrid DSC 封装也包括其他类似的双面冷却模块的设计,虽然外部结构设计复杂,但是可以给应用端提供灵活紧凑的设计,以实现高功率密度。
下面我们分别来看一下这三个方面的技术发展和应用,芯片封装技术重要发展方向有几个点,包括改善产品的功率循环能力,提高寿命;降低模块杂散参数,优化产品电气特性;改善散热性能,提高工作结温,增加功率密度。这几点,特别是对于SiC芯片的封装也更具有意义,例如由于SiC器件特点以及热量分布不均匀导致的短路能力问题是不是可以通过封装技术改善?下图基于开米尼茨大学与英飞凌发表的一篇论文中给出的数据可以看出SiC芯片的热量分布更加集中且靠近芯片表面。那么双面散热的形式,或者上表面有铜Buffer层的封装结构是不是可以改善短路特性?
我们首先看一下芯片顶部连接结技术的发展。如下图所示,芯片顶部连接技术目前已铝绑定线为主,铝绑定带也是一个改进方案。新的已经有应用的一些技术方案包括DLB,双面冷却,DBB,SkiN等。其基本特点都是采用铜工艺。来代替铝绑定线,对于改善可靠性,提高功率循环能力应该都有一定的效果。其中,DLB技术与SkiN都是采用铜箔(片)来做回路连接,直接取消绑定线,是对传统绑定线工艺的一个变革。其中SkiN技术采用双层铜箔形成叠层母排的效果,目的在于优化系统回路杂散电感。对SiC芯片也有比较积极的意义。双面冷却也是取消了绑定线,芯片上表面也是采用金属片或者DBC连接。且不谈双面冷却在应用中的问题,上表面直接厚金属与芯片或许对SiC的短路能力有一定的改善空间。
DBB技术前面介绍过,基于DBB的Si IGBT产品可以提高功率循环能力达到十多倍。目前在汽车级产品中已经批量应用,也基本证实了其可靠性。前面也一些文章介绍DBB工艺,这里就不在多说。(参考文章链接:DCM™-铜绑定线技术-DBB)。下图为丹佛斯发表的论文中给出的采用DBB工艺的SiC封装的功率循环测试数据,可以看出,在DBB的加持下,可以获得和Si IGBT类似的寿命能力。
更快是指SiC的开关速度更快,dv/dt、dt/dt更大。会导致系统杂散电感、分布电容对系统的影响更加显著,对称设计将变得非常重要。
更热意味着芯片可以工作到更高的结温,但是更高的结温对封装要求也更高,硅凝胶如何能工作到超过200℃。新型材料比如硅橡胶是不是可以用于传送模(transfer molding)以满足更高的温度要求?以及更高的工作结温情况下寿命如何保证。
功率循环能力,如何满足想系统要求。铜绑定线或者无绑定线是不是正确的路线。
在很多应用场合,可以发挥体二极管的作用省去反并联二极管。那么上下桥的结构设计是不是可以简化。
由于电流密度更大,对绑定线载流能力要求提高,或者无绑定线。
端子的设计如何来更好的适配。从下图英飞凌论文给出的布局可以看出,三端子的设计对于对称设计以及降低杂散电感是有利的。
功率密度更高的情况下,模块的体积可以变得更小,是否会带来模块封装设计的变化。
从芯片到模块到系统是目前垂直的三个层面。那么未来模块到系统会不会产生一定的融合?比如半集成的模块在系统层面实现完全集成。
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