SiC 模块由灌胶模块转为塑封模块是因为塑封方案具有五方面的优势。
1)可靠性:改变模块封装形式,将传统灌胶模块所用的铝线换成铜线或铜排,可以提高可靠性和载流能力;焊料换成银烧结,可以降低热阻有利于增强散热能力,且多孔纳米银材料可吸收热膨胀带来的张力,有效提升可靠性和热管理能力。
传统灌胶模块使用铝线和焊接技术,基材一般,并使用果冻胶凝胶形式。传统 IGBT 的模式套用于 SiC 做 HybridPACK,相同电流下 SiC 面积远小于 IGBT。电流要通过键合线,而 IGBT 上可以打很多线,线均电流密度小;但 SiC 面积很小,线数目有限,线均电流密度大很多,线温高且发热多,长时间老化线体会脱落造成连接问题和模块损伤,用 Clip(条带键合)的形式能将可靠性提高 10 倍左右。
传统 HybridPACK 模块用回流焊形式,将 IGBT 放入温箱里加热融化焊锡,之后再把芯片放在基板上做模片固定。从 Si 基到 SiC 基,杨氏模量和 CTE 的变化很大,SiC 边角压力和热膨胀系数将变大四倍,温度的升高会产生裂痕、分层、空洞,热阻增加,因此结温升高,可靠性下降。
此外,灌胶是液体形式,震动时对键合线产生惯性力,拉扯会造成疲劳和老化,灌胶过程中还可能有气泡、湿气和水汽,高温高湿度下果冻胶模块容易损坏。而塑封模块对湿气控制、散热能力会好很多。
2)性能(杂散电感等):将键合线换成 Clip(条带键合),可以利用互感或一些设计降低电感;改变模块的设计以及改变连接处,也能达到降低杂散电感,抑制震荡的效果。震荡源于能量的来回释放,包括电感和电容间能量互相转化。
SiC 为单极性载流子,开关速度很快可大幅降低开关损耗,但 DIDT 和 DVDT 很大,会产生杂散电感、寄生电容等,IGBT 开关速度慢,影响不大。
汽车/工业用 62mm 主流模块在功率回路中通过 DBC、键合线和连接引起较大的杂散电感,配合 SiC 高速开关的特性会产生强震荡,一会影响可靠性,二会产生杂音。
HybridPACK 的杂散电感约 30-40nH,塑封模块可低于 5nH,可以适应 SiC 的高速运行。特斯拉的 T-PACK 采用激光焊方案,相比传统打螺丝方案能大幅降低连接处的寄生杂散电感。
另外在工作温度、性价比、市场需求等方面,塑封模块相比灌胶模块也有较为明显的优势,此处先不做详细说明,感兴趣的朋友可先自行了解。
下一代 SiC 封装的革新在于封装材料和形式的变化,因此带来了塑封路线图。目前,博格华纳、德尔福、特斯拉和 ST 的 T-PACK 基本不用果冻胶做小的塑封器件;赛米控、丹佛斯的单/双面直接水冷的塑封模块都是下一代流行趋势;之前用单管并联的阳光、赛力斯、吉利都有可能用类特斯拉方案取代之前 TO-247 单管方案。
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拍摄来源 翠展微展台
原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):为什么SiC模块未来将由灌胶模块转为塑封模块