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SiC 功率模块拆解

2019-11-25 15:20
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siC 模块结构、封装工艺及关键材料分析

将下图所示角落的单管模块取下,进行开盖拆解。

功率模块单元

下图为开盖后的内部照片

共有两颗 SiC MOSFET 器件进行并联,芯片上表面为无引线连接,采用 lead frame 实现电气互联。基板双面敷铜,中间有绝缘层。因此单管模块与散热器之间可直接采用导电的烧结银进行互联,无需采用针对传统单管的导热绝缘垫片。

模块局部放大之后,可以更清楚地观察其芯片上下表面连接的结构和工艺状况,其连接结构牢固,未发现工艺异常。

SiC 芯片通过烧结银连接至 Si3N4 AMB 基板,烧结银具有更高的可靠性和导热,Si3N4 AMB 基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (与 Al2O3 和 AlN,BeO 等陶瓷比较),同时双面敷铜可以更厚,有利于散热;

芯片门极采用标准的铝线键合技术实现电气互联,为成熟标准的封装工艺;

在相应位置点高铅锡膏,通过回流设备对 lead-frame 进行焊接,引出该单管模块的电极,高铅焊料的可靠性同样非常高,虽然散热特性比烧结银差,但焊接位置均没有主要的散热路径,所以该工艺仍采用传统的高铅焊料;

对单管功率模块进行塑封,以实现模块的环境保护。后续还有切筋成型,端子电镀等,均为传统单管的标准封装工艺

模块中关键材料尺寸

功率器件是 inverter 的核心部件,而 inverter 又是 EV 中驱动电机的核心系统。通过以上对 Tesla Model 3 的 SiC 功率模块单元和单管模块的拆解和分析,得以初窥 Tesla 的设计理念和开发思路。

在整车设计中,inverter, gearbox 和 motor 采用三合一的集成架构,定义了 inverter 需要扁平化设计,对 inverter 的厚度方向的尺寸设计提出了明确要求,再采用传统的 TO-247 单管已无法满足设计要求。Tesla 作为主机厂,开创性地与 Tier2 的半导体厂家 ST 合作订制 SiC 单管模块,在尺寸上满足要求的前提下,进一步提升 inverter 的效率。目前,SiC 器件成本虽然是 Si 器件的 10 倍左右的价格,但其对续航里程的提升(5%~10%),以及用户用电效率的提高都显而易见。在模块内外部的机械、散热互联中,均使用价格不菲的烧结银技术,以提高 inverter 的可靠性和散热。电气连接采用激光焊接技术,以提高机械连接的强度和可靠性,但前期则需要投入高价的激光设备。同时,在其他不影响性能的辅助材料和结构设计上,则尽可能采用成熟低成本的解决方案(如 Cu bus 与塑料绝缘件的搭配组合实现功率模块单元在系统中的电气连接;模块内部仍采用 Al wire bonding 以及 lead-frame 材料)。

小结:我再说一下挂我名的事情,并不是每一位工程师都能署名或者写个笔名,这是去年早些时候和友人一起拆解零件时候做的分析,他写的一共分为三篇《Model 3 SiC 功率模块单元拆解与分析 上》《Model 3 SiC 功率模块单元拆解与分析 中》,如果有资深工程师在逆变器设计的岗位需求,也请联系我,我代这位友人看看机会。

作者:朱玉龙

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