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      碳化硅功率器件的低雜散電感封裝技術(shù)介紹

      文章出處:廣州先進(jìn)陶瓷展網(wǎng)責任編輯:作者:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2022-09-01 16:56:00【

      目前已有的大部分商用SiC器件仍采用傳統Si器件的封裝方式。傳統封裝技術(shù)成熟,成本低,而且可兼容和替代原有Si基器件。但傳統封裝結構導致其雜散電感參數較大,在碳化硅器件快速開(kāi)關(guān)過(guò)程中造成嚴重電壓過(guò)沖,也導致?lián)p耗增加及電磁干擾等問(wèn)題。

      而雜散電感的大小與開(kāi)關(guān)換流回路的面積相關(guān)。其中,金屬鍵合連接方式、元件引腳和多個(gè)芯片的平面布局是造成傳統封裝換流回路面積較大的關(guān)鍵影響因素。消除金屬鍵合線(xiàn)可以有效減小雜散電感值,將其大小控制在5nH以下。下面就其中典型的封裝結構分別進(jìn)行介紹。

      ①單管翻轉貼片封裝

      阿肯色大學(xué)團隊借鑒BGA的封裝技術(shù),提出了一種單管的翻轉貼片封裝技術(shù)。該封裝通過(guò)一個(gè)金屬連接件將芯片背部電極翻轉到和正面電極相同平面位置,然后在相應電極位置上植上焊錫球,消除了金屬鍵合線(xiàn)和引腳端子。相比于TO-247封裝,體積減小了14倍,導通電阻減小了24%。

      ②DBC+PCB混合封裝

      傳統模塊封裝使用的敷銅陶瓷板(DBC)限定了芯片只能在二維平面上布局,電流回路面積大,雜散電感參數大。然而,將DBC工藝和PCB板相結合,利用金屬鍵合線(xiàn)將芯片上表面的連接到PCB板,控制換流回路在PCB層間,大大減小了電流回路面積,進(jìn)而減小雜散電感參數。該混合封裝可將雜散電感可控制在5nH以下,體積相比于傳統模塊下降40%

      柔性PCB板結合燒結銀工藝的封裝方式也被用于商業(yè)模塊中。采用柔性PCB板取代鍵合線(xiàn)實(shí)現芯片的上下表面電氣連接,模塊內部回路寄生電感僅有1.5nH,開(kāi)關(guān)速度大于50kV/s,損耗相比于傳統模塊可降低50%。

      該混合封裝方式結合了2種成熟工藝的優(yōu)勢,易于制作,可實(shí)現低雜散電感以及更小的體積。但PCB板的存在限制了上述封裝方式高溫運行的可靠性

      ③芯片正面平面互連封裝

      除采用柔性PCB板取代金屬鍵合線(xiàn)外,還可使用平面互連的連接方式來(lái)實(shí)現芯片正面的連接。平面互連的方式不僅可以減小電流回路,進(jìn)而減小雜散電感、電阻,還擁有更出色的溫度循環(huán)特性以及可靠性。

      用于SiC芯片的埋入式封裝也可認為是一種芯片正面的平面直連封裝。該方法將芯片置于陶瓷定位槽中,再用絕緣介質(zhì)填充縫隙,最后覆蓋掩膜兩面濺射金屬銅,實(shí)現電極連接。通過(guò)選擇合理的封裝材料,減小了模塊在高溫時(shí)的層間熱應力,并能在279℃的高溫下測量模塊的正反向特性。

      平面直連的封裝工藝通過(guò)消除金屬鍵合線(xiàn),將電流回路從DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的層間布局,顯著(zhù)減小了回路面積,可實(shí)現低雜散電感參數,與之后介紹的雙面散熱封裝以及三維封裝實(shí)現低雜散電感的基本思路相同,只是實(shí)現方式略有不同。

      ④雙面散熱封裝技術(shù)

      雙面封裝工藝由于可以雙面散熱、體積小,較多用于電動(dòng)汽車(chē)內部IGBT的封裝應用。雙面散熱封裝SiC模塊上下表面均采用DBC板進(jìn)行焊接,所以可實(shí)現上下表面同時(shí)散熱。

      該工藝的難點(diǎn)在于,芯片上表面需要進(jìn)行濺射或電鍍處理使其可焊接,并且在芯片上表面增加金屬墊片、連接柱等來(lái)消除同一模塊中不同高度芯片的高度差。再加上SiC芯片普遍面積小,如何保證在上表面有限面積范圍內的焊接質(zhì)量是該工藝過(guò)程中的關(guān)鍵。得益于上下DBC的對稱(chēng)布線(xiàn)與合理的芯片布局,該封裝可將回路寄生電感參數降到3nH以下,模塊熱阻相比于傳統封裝下降38%。

      ⑤三維(3D)封裝技術(shù)

      三維封裝技術(shù)利用了SiC功率器件垂直型的結構特點(diǎn),將開(kāi)關(guān)橋臂的下管直接疊在上管之上,消除了橋臂中點(diǎn)的多余布線(xiàn),可將回路寄生電感降至1nH以下。芯片表面首先經(jīng)過(guò)鍍銅處理,再借由過(guò)孔沉銅工藝將芯片電極引出,最后使用PCB層壓完成多層結構。得益于PCB的母排結構,模塊回路電感僅有0.25nH,并可同時(shí)實(shí)現門(mén)極的開(kāi)爾文連接方式。該封裝的功率密度極高,如何保證芯片溫度控制是一大難點(diǎn),外層銅厚和表面熱對流系數對芯片散熱影響很大。除功率芯片之外,無(wú)源元件如磁芯,電容等均可通過(guò)適當的方式嵌入PCB當中以提高功率密度。

      由上述新型結構可以看出,為充分發(fā)揮SiC器件的優(yōu)勢,提高功率密度,消除金屬鍵合線(xiàn)連接是一種趨勢。通過(guò)采用各種新型結構,降低模塊回路寄生電感值,減小體積是推進(jìn)電力電子走向高頻、高效、高功率密度的保證。

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