基于层叠DBC的低杂散参数SiC混合封装集成模块关键技术研究

发布时间：2020-08-01 19:28

【摘要】：功率模块作为电力电子设备的核心元件,其性能将直接决定装置的性能。相比传统Si基器件,宽禁带碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)半导体器件具有小结电容、快的开关速度和低的损耗,可显著提高装置的开关频率、提升装置的功率密度。因此,已广泛应用于航空、船舶、汽车等领域。但是,SiC器件的高开关速度将产生更高dv/dt和di/dt,在功率模块内部寄生参数的影响下器件将产生更高的电压应力、振荡、EMI干扰、开关损耗和误导通等挑战。所以研究如何降低碳化硅功率模块封装寄生参数得到干净的开关波形已成为碳化硅器件推广及应用的研究热点。为了降低碳化硅功率模块的封装寄生参数,目前功率器件的封装结构大致可分成三类:键合结构、平板结构和混合封装结构。其中键合结构工艺简单且可靠性高,但是其封装尺寸大,寄生电感大;而平板结构的寄生参数小、散热性能好,但是整个工艺非常复杂、可靠性低;混合封装结构则结合了键合结构和平板结构的优点,其寄生参数小、工艺简单、可靠性高。因此,本文研究基于混合封装结构降低寄生参数的原理与方法,采用多DBC层叠优化3D功率回路,研究极低感的新型碳化硅大电流模块。本文首先分析了半桥电路寄生参数的分布和来源。然后,通过电磁场仿真分析了寄生参数对开关性能的影响,揭示了其对器件电压、电流应力和开关损耗的影响关系,结果证明减小寄生参数可降低器件的电压、电流应力和损耗。在第三部分,本文提出了一种降低换流回路寄生电感的设计方法,通过采用多DBC层叠的混合封装结构,在换流回路中形成3D回路实现互感抵消,模块寄生电感显著减小。在第四部分,基于本研究所提出的多DBC层叠混合封装结构,本文设计了一种新型的低寄生参数1200V/120A全SiC大电流功率集成模块,寄生电感仅3.5nH,寄生电感显著低于现有商用碳化硅模块。最后,通过对模块的静态测试和双脉冲测试验证其低寄生参数的性能,结果表明:相较于商用模块,设计的功率模块在开关过程中电压应力减小66%、损耗减小55%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303;TM1
【图文】：

电流分布,功率模块,封装结构,寄生电感

1200V/120A 功率模块，其寄生电感下降 42%。文献[18]是 2014 年 Infineon 提出了一种低寄生电感 EasyPACK-2B 的键合结构，如图 1-4 所示。红色箭头表示相应的换流路径，其 DC+和 DC-端子分布在基板的中间并且最小化正负端子之间的距离。因为 DC+和 DC-端子的位置，换向路径被最小化并且功率模块内的电流分布是完全对称的，所以模块的寄生电感降低至 8nH。Cree 公司在 2015 年提出的 SiC 1200V/120A CAS120M12BM2 也采用这种结构，使得功率模块的寄生电感达到 15 nH。图 1-4 EasyPACK-2B 功率模块的封装结构[18]图 1-5 是 Satoshi Tanimoto 在 2015 年提出的一种新型多层 DBC 的键合结构。不同与传统键合结构采用双面覆铜 DBC，该结构采用一种新型的三层 DBC。这种三层的 DBC 中间增加一铜层，使得功率回路上可形成互感抵消的回路来减小寄生电感。最后模块的主回路寄生电感只有 4.5nH 左右。但是这种三层 DBC 的制备工艺比较复杂。虽然采用两块双面覆铜的 DBC 叠加在一起也可实现这种三层的 DBC，但是这两种结构都增加了一层陶瓷层和铜层

封装结构,换流,键合结

图 1-5 S 新型多层 DBC 的封装结构[19]的键合结构可通过优化换流回路的布局、缩短换流回生参数，但是由于键合线的存在和 2D 平面结构的局电感。而 3 层 DBC 的结构，固然减小了寄生参数，不是一个好选择。

混合封装

图 1-10 基于 DBC 和 PCB 混合封装结构2015 年 CPES 的 Chen Zheng 博士提出了一种新型的基于 PCB 和 DBC 的混。该结构在传统的 DBC 上加了一 PCB，可构成多层结构。这种多层结构使层的电流流向相反，以便形成互感抵消回路来减小寄生电感。同时 PCB 上的窗口来放置芯片；这种结构使得芯片直接与 DBC 连接，保证散热。芯片

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