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要提高功率密度,除改進晶圓技術(shù)之外,還要提升封裝性能

來源: 電子產(chǎn)世界
2020-09-03
類別:設(shè)計應(yīng)用
eye 42
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:要提高功率密度,除改進晶圓技術(shù)之外,還要提升封裝性能

提高功率密度是車載充電系統(tǒng)等電力電子設(shè)備的關(guān)鍵目標(biāo),尤其在電動汽車領(lǐng)域,更高的功率密度意味著更小的體積、更輕的重量和更高的效率。除了改進晶圓技術(shù)(如采用寬禁帶半導(dǎo)體SiC/GaN)外,提升封裝性能是另一個核心方向。以下是具體的技術(shù)路徑和優(yōu)化策略:

一、封裝性能對功率密度的關(guān)鍵影響

  1. 熱管理優(yōu)化

    • 封裝是散熱路徑的關(guān)鍵環(huán)節(jié),不良的封裝設(shè)計會導(dǎo)致局部過熱,限制功率提升。

    • 高功率密度下,熱流密度顯著增加,需通過封裝創(chuàng)新降低熱阻(Rθ),提升散熱效率。

  2. 電氣性能提升

    • 封裝寄生參數(shù)(如寄生電感、電阻)會影響開關(guān)速度和損耗,需通過布局優(yōu)化減少寄生效應(yīng)。

    • 低電感封裝可支持更高開關(guān)頻率(如MHz級),進一步縮小無源元件體積。

  3. 機械結(jié)構(gòu)集成

    • 緊湊的封裝設(shè)計可減少體積占用,同時需兼顧機械強度和可靠性(如抗振動、耐沖擊)。

二、提升封裝性能的核心技術(shù)

1. 先進散熱封裝技術(shù)

  • 雙面冷卻封裝

    • 將功率器件(如SiC MOSFET)夾在兩塊散熱基板之間,通過熱界面材料(TIM)和液冷或風(fēng)冷系統(tǒng)實現(xiàn)雙向散熱,散熱效率比單面冷卻提升50%以上。

    • 應(yīng)用案例:英飛凌的HybridPACK Drive模塊采用雙面冷卻,功率密度達30kW/L。

  • 嵌入式散熱結(jié)構(gòu)

    • 將功率器件直接嵌入散熱基板(如銅或鋁)中,通過微通道或燒結(jié)銀技術(shù)增強熱傳導(dǎo),熱阻可降低至0.1K/W以下。

    • 技術(shù)方向:3D封裝結(jié)合微針翅片或 vapor chamber(均熱板),實現(xiàn)局部熱點快速均溫。

  • 相變材料(PCM)集成

    • 在封裝內(nèi)填充PCM(如石蠟、金屬合金),利用相變吸熱特性緩沖瞬態(tài)熱沖擊,延長器件壽命。

    • 優(yōu)勢:無需外部能源,適合短時高功率場景(如加速、超充)。

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2. 低寄生參數(shù)封裝設(shè)計

  • 平面互連技術(shù)

    • 用多層印刷電路板(PCB)或陶瓷基板(如DBC、AMB)替代傳統(tǒng)引線鍵合,減少寄生電感(可降低至1nH以下)。

    • 典型結(jié)構(gòu):采用“功率層-信號層-散熱層”疊層設(shè)計,縮短電流路徑。

  • 倒裝芯片(Flip Chip)封裝

    • 將芯片活性面朝下直接鍵合到基板,消除引線鍵合的寄生電感,同時提升散熱效率。

    • 應(yīng)用場景:高頻開關(guān)模塊(如GaN器件封裝)。

  • 集成無源元件(IPD)

    • 在封裝內(nèi)嵌入電容、電感等無源元件,減少外部元件數(shù)量,降低寄生參數(shù)和體積。

    • 技術(shù)挑戰(zhàn):需解決材料兼容性和工藝復(fù)雜性問題。

3. 高密度集成封裝架構(gòu)

  • 系統(tǒng)級封裝(SiP)

    • 將功率器件、驅(qū)動電路、控制芯片和傳感器集成到單一封裝中,通過3D堆疊或側(cè)邊連接實現(xiàn)高密度集成。

    • 優(yōu)勢:縮短信號傳輸距離,降低EMI干擾,同時減少PCB面積。

  • 模塊化封裝標(biāo)準(zhǔn)

    • 采用標(biāo)準(zhǔn)化封裝尺寸(如PM6、PM10)和接口,提升多模塊并聯(lián)的擴展性和互換性。

    • 行業(yè)趨勢:OEM廠商推動“即插即用”式功率模塊,簡化系統(tǒng)設(shè)計。

  • 柔性封裝材料

    • 使用硅膠、聚酰亞胺等柔性材料替代傳統(tǒng)剛性基板,適應(yīng)車載振動環(huán)境,同時提升空間利用率。

    • 創(chuàng)新方向:可拉伸電子封裝技術(shù),支持曲面或異形安裝。

三、封裝與晶圓技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化

  1. 材料匹配性

    • 封裝材料(如基板、TIM)的熱膨脹系數(shù)(CTE)需與SiC/GaN晶圓匹配,避免熱循環(huán)導(dǎo)致的應(yīng)力失效。

    • 解決方案:采用納米銀燒結(jié)、瞬態(tài)液相連接(TLP)等低溫互連技術(shù),降低熱應(yīng)力。

  2. 工藝兼容性

    • 寬禁帶半導(dǎo)體的高溫工藝(如燒結(jié)溫度>250℃)需封裝材料具備耐高溫特性(如陶瓷基板、高溫聚合物)。

    • 技術(shù)瓶頸:高溫下TIM的長期穩(wěn)定性需進一步驗證。

  3. 仿真驅(qū)動設(shè)計

    • 通過多物理場仿真(熱-力-電耦合)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu),提前預(yù)測熱斑、電壓尖峰等風(fēng)險點。

    • 工具鏈:ANSYS Icepak(熱仿真)、SIMPLIS(電路仿真)、COMSOL(多物理場仿真)。

四、典型應(yīng)用案例

  • 特斯拉Model 3逆變器

    • 采用SiC MOSFET + 雙面冷卻封裝,功率密度達14kW/L,效率提升5-8%。

    • 封裝結(jié)構(gòu):芯片直接燒結(jié)到銅基板,兩側(cè)液冷板夾持,熱阻<0.2K/W。

  • 博世eAxle集成電驅(qū)系統(tǒng)

    • 將電機、逆變器和減速器集成,逆變器采用SiC模塊 + 嵌入式散熱,體積縮小30%,功率密度達25kW/L。

  • 安森美Ve-Trac Direct SiC模塊

    • 通過“壓接式”封裝替代傳統(tǒng)綁定線,寄生電感降低40%,支持1MHz開關(guān)頻率,功率密度提升2倍。

五、未來挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

  1. 超高溫封裝

    • SiC器件在高溫(>200℃)下性能更優(yōu),需開發(fā)耐高溫封裝材料(如氮化鋁、金剛石)和工藝。

  2. 光子集成封裝

    • 探索光互連替代電互連,進一步降低寄生參數(shù),支持THz級開關(guān)頻率。

  3. 自修復(fù)封裝

    • 集成微膠囊修復(fù)材料或形狀記憶合金,實現(xiàn)裂紋自動修復(fù),提升可靠性。

總結(jié)

提升封裝性能是突破功率密度瓶頸的關(guān)鍵路徑,需從散熱、電氣、機械三方面協(xié)同創(chuàng)新。結(jié)合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù),未來車載充電系統(tǒng)將向“芯片-封裝-系統(tǒng)”全鏈條優(yōu)化方向發(fā)展,最終實現(xiàn)“小體積、高效率、高可靠”的終極目標(biāo)。


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