高压功率器件封装设计说明_技术

可再生能源应用以及各种能效技术需要可靠、紧凑和热效率高的电源设备。为了推动风力涡轮机、智能电网、太阳能发电系统、太阳能光伏和电动汽车的创新，1需要具有高功率密度、高开关频率以及能够在极端温度和电压下运行的能力的设备。要求苛刻的电源应用带来的挑战不仅涉及设备本身，还涉及设备周围的封装。尽管硅长期以来一直主导着电源应用，但对提高效率和功率密度以及增强性能和降低成本的需求，已经促使电力电子领域向碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体转变。2尽管宽禁带器件近年来已开始进入商业市场，但其功率器件封装设计3尚未成熟，尤其是在高温高压应用方面。在本文中，将介绍为此目的而制造的 5kV 双面冷却 GaN 功率模块（作为高级研究计划署 - 能源部资助的研究的一部分）。在这里阅读原文。

功率器件封装设计

GaN 功率模块的设计如图 1 所示。它包括四个与封装顶部和底部的钼柱键合的 GaN 器件。柱子的外端用陶瓷物质氧化铝 (Al 2 O 3 ) 键合到直接键合铜 (DBC) 基板上。尽管在此封装设计中基板连接到 DBC 基板的外表面，但材料叠层也可以在 DBC 层终止。在某些情况下，具有基板是有利的，因为它允许在封装内进行更多的热量分布，从而提高热管理解决方案的效率。

图 1：GaN 功率模块的设计

热分析

热模拟旨在确定在设计限制范围内冷却设备的最佳方法，并评估所提出的冷却技术的有效性。有限元分析用于评估两种冷却技术，如图 2 所示。热交换器方法（图 2，顶部）类似于传统的冷板冷却，在封装的两侧都有热交换器。对流传热系数用于表示热交换器 (h)。

由于传导路径较长，5 kV 设计需要将端子物理分离，并且封装填充有用于电绝缘的介电流体。因此，使用传统方法（图 2，顶部）从封装中去除热量变得更具挑战性。另一种解决方案（图 2，底部）试图通过使用介电流体作为冷却剂和长的电气支架或柱作为散热片，将这一缺点转化为冷却优势，从而有效地将封装转变为热交换器。

图 2：冷却解决方案 - 热交换器（顶部）和油流通（底部）

对流传热系数的范围从 10 W/m 2 K（代表空气中的自然对流）到 100,000 W/m 2K，代表非常激进的单相液基换热器或相变传热，用于评估和比较两种冷却方法。油流通设计比热交换器设计表现更好。此外，对于在设备附近没有水基冷却剂的应用来说，这是一种很有前途的技术。然而，为了有效地工作，需要在柱子上增加额外的表面增强（如鳍片），这反过来又需要对电气设计进行额外的设计和评估，以确保表面增强不会导致不需要的放电。还需要额外的设计工作来优化通过封装的流体流动。

沿着通过器件中间的一条线绘制温度曲线，以检测封装内的热问题点（图 3 中的点 1 到 2）。高温梯度位置（图中的水平线）表示高热阻元件，而低温梯度位置（垂直线）表示高导热元件。DBC 基板和热界面材料在封装中具有最高的单位长度热阻。

图 3：整个封装的温度曲线

为了充分利用双面冷却，评估了三种替代设计：一个 DBC 上的所有设备以及在两个 DBC 之间拆分设备的两种版本。图 4 显示了 300 W/cm 2的目标热通量，以及用于比较的基线（中间的设备）。如果封装仅使用一个 DBC，则目标热通量的换热器性能要求将降低到 3,100 W/m 2 K，如果封装在两侧都使用换热器，则为2,200 W/m 2 K。将器件均匀分布在两个 DBC 上所需的换热器性能（内联或对角线布局，如图 4 所示）降低到 1,400 W/m 2 K。

图 4：三种替代设计的比较

使用计算流体动力学对现成热交换器的性能进行量化，发现热交换器可以用于双面冷却布局，但不能用于单面冷却布局或中心设备布局。

热机械分析

热机械模拟的目标是查看一些功率器件封装设计的可靠性，特别是对角线、内联和基线配置，如图 4 所示。在热循环负载条件下，应变能密度计算并比较了这些包装设计中各种附件层中的值。将负载应用于从 –40°C 到 200°C 的热循环，升温速率为 5°C/分钟，在两个极端温度下停留 10 分钟，并获得每个循环的应变能量密度数据在不同的附着层。

图 5 显示了基线、对角线和直列功率器件封装设计中几层的应变能量密度值。获得的结果表明，post attach 最容易受到热循环退化的影响，其次是 device attach 和 device post-attach。此外，在各种功率器件封装设计配置中，附着层的热机械性能没有明显差异。