高壓功率器件封裝設(shè)計(jì)說明

可再生能源應(yīng)用以及各種能效技術(shù)需要可靠、緊湊和熱效率高的電源設(shè)備。為了推動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)、智能電網(wǎng)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏和電動(dòng)汽車的創(chuàng)新，1需要具有高功率密度、高開關(guān)頻率以及能夠在極端溫度和電壓下運(yùn)行的能力的設(shè)備。要求苛刻的電源應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)不僅涉及設(shè)備本身，還涉及設(shè)備周圍的封裝。盡管硅長(zhǎng)期以來(lái)一直主導(dǎo)著電源應(yīng)用，但對(duì)提高效率和功率密度以及增強(qiáng)性能和降低成本的需求，已經(jīng)促使電力電子領(lǐng)域向碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。2盡管寬禁帶器件近年來(lái)已開始進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，但其功率器件封裝設(shè)計(jì)3尚未成熟，尤其是在高溫高壓應(yīng)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(jí)研究計(jì)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(shè)計(jì)

GaN 功率模塊的設(shè)計(jì)如圖 1 所示。它包括四個(gè)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(shè)計(jì)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?yàn)樗试S在封裝內(nèi)進(jìn)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(shè)計(jì)

熱分析

熱模擬旨在確定在設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi)冷卻設(shè)備的最佳方法，并評(píng)估所提出的冷卻技術(shù)的有效性。有限元分析用于評(píng)估兩種冷卻技術(shù)，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(duì)流傳熱系數(shù)用于表示熱交換器 (h)。

由于傳導(dǎo)路徑較長(zhǎng)，5 kV 設(shè)計(jì)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(zhǎng)的電氣支架或柱作為散熱片，將這一缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為冷卻優(yōu)勢(shì)，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(duì)流傳熱系數(shù)的范圍從 10 W/m 2 K（代表空氣中的自然對(duì)流）到 100,000 W/m 2K，代表非常激進(jìn)的單相液基換熱器或相變傳熱，用于評(píng)估和比較兩種冷卻方法。油流通設(shè)計(jì)比熱交換器設(shè)計(jì)表現(xiàn)更好。此外，對(duì)于在設(shè)備附近沒有水基冷卻劑的應(yīng)用來(lái)說，這是一種很有前途的技術(shù)。然而，為了有效地工作，需要在柱子上增加額外的表面增強(qiáng)（如鰭片），這反過來(lái)又需要對(duì)電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)和評(píng)估，以確保表面增強(qiáng)不會(huì)導(dǎo)致不需要的放電。還需要額外的設(shè)計(jì)工作來(lái)優(yōu)化通過封裝的流體流動(dòng)。

沿著通過器件中間的一條線繪制溫度曲線，以檢測(cè)封裝內(nèi)的熱問題點(diǎn)（圖 3 中的點(diǎn) 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(dǎo)熱元件。DBC 基板和熱界面材料在封裝中具有最高的單位長(zhǎng)度熱阻。

圖 3：整個(gè)封裝的溫度曲線

為了充分利用雙面冷卻，評(píng)估了三種替代設(shè)計(jì)：一個(gè) DBC 上的所有設(shè)備以及在兩個(gè) DBC 之間拆分設(shè)備的兩種版本。圖 4 顯示了 300 W/cm 2的目標(biāo)熱通量，以及用于比較的基線（中間的設(shè)備）。如果封裝僅使用一個(gè) DBC，則目標(biāo)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(gè) 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(shè)計(jì)的比較

使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)現(xiàn)成熱交換器的性能進(jìn)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(shè)備布局。

熱機(jī)械分析

熱機(jī)械模擬的目標(biāo)是查看一些功率器件封裝設(shè)計(jì)的可靠性，特別是對(duì)角線、內(nèi)聯(lián)和基線配置，如圖 4 所示。在熱循環(huán)負(fù)載條件下，應(yīng)變能密度計(jì)算并比較了這些包裝設(shè)計(jì)中各種附件層中的值。將負(fù)載應(yīng)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(gè)極端溫度下停留 10 分鐘，并獲得每個(gè)循環(huán)的應(yīng)變能量密度數(shù)據(jù)在不同的附著層。

圖 5 顯示了基線、對(duì)角線和直列功率器件封裝設(shè)計(jì)中幾層的應(yīng)變能量密度值。獲得的結(jié)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(shè)計(jì)配置中，附著層的熱機(jī)械性能沒有明顯差異。