SiC 功率模塊拆解

siC 模塊結(jié)構(gòu)、封裝工藝及關(guān)鍵材料分析

將下圖所示角落的單管模塊取下，進(jìn)行開蓋拆解。

功率模塊單元

下圖為開蓋后的內(nèi)部照片

共有兩顆 SiC MOSFET 器件進(jìn)行并聯(lián)，芯片上表面為無引線連接，采用 lead frame 實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)。基板雙面敷銅，中間有絕緣層。因此單管模塊與散熱器之間可直接采用導(dǎo)電的燒結(jié)銀進(jìn)行互聯(lián)，無需采用針對(duì)傳統(tǒng)單管的導(dǎo)熱絕緣墊片。

模塊局部放大之后，可以更清楚地觀察其芯片上下表面連接的結(jié)構(gòu)和工藝狀況，其連接結(jié)構(gòu)牢固，未發(fā)現(xiàn)工藝異常。

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SiC 芯片通過燒結(jié)銀連接至 Si3N4 AMB 基板，燒結(jié)銀具有更高的可靠性和導(dǎo)熱，Si3N4 AMB 基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (與 Al2O3 和 AlN，BeO 等陶瓷比較)，同時(shí)雙面敷銅可以更厚，有利于散熱；

芯片門極采用標(biāo)準(zhǔn)的鋁線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)，為成熟標(biāo)準(zhǔn)的封裝工藝；

在相應(yīng)位置點(diǎn)高鉛錫膏，通過回流設(shè)備對(duì) lead-frame 進(jìn)行焊接，引出該單管模塊的電極，高鉛焊料的可靠性同樣非常高，雖然散熱特性比燒結(jié)銀差，但焊接位置均沒有主要的散熱路徑，所以該工藝仍采用傳統(tǒng)的高鉛焊料；

對(duì)單管功率模塊進(jìn)行塑封，以實(shí)現(xiàn)模塊的環(huán)境保護(hù)。后續(xù)還有切筋成型，端子電鍍等，均為傳統(tǒng)單管的標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝?

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模塊中關(guān)鍵材料尺寸

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功率器件是 inverter 的核心部件，而 inverter 又是 EV 中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心系統(tǒng)。通過以上對(duì) Tesla Model 3 的 SiC 功率模塊單元和單管模塊的拆解和分析，得以初窺 Tesla 的設(shè)計(jì)理念和開發(fā)思路。

在整車設(shè)計(jì)中，inverter, gearbox 和 motor 采用三合一的集成架構(gòu)，定義了 inverter 需要扁平化設(shè)計(jì)，對(duì) inverter 的厚度方向的尺寸設(shè)計(jì)提出了明確要求，再采用傳統(tǒng)的 TO-247 單管已無法滿足設(shè)計(jì)要求。Tesla 作為主機(jī)廠，開創(chuàng)性地與 Tier2 的半導(dǎo)體廠家 ST 合作訂制 SiC 單管模塊，在尺寸上滿足要求的前提下，進(jìn)一步提升 inverter 的效率。目前，SiC 器件成本雖然是 Si 器件的 10 倍左右的價(jià)格，但其對(duì)續(xù)航里程的提升(5%~10%)，以及用戶用電效率的提高都顯而易見。在模塊內(nèi)外部的機(jī)械、散熱互聯(lián)中，均使用價(jià)格不菲的燒結(jié)銀技術(shù)，以提高 inverter 的可靠性和散熱。電氣連接采用激光焊接技術(shù)，以提高機(jī)械連接的強(qiáng)度和可靠性，但前期則需要投入高價(jià)的激光設(shè)備。同時(shí)，在其他不影響性能的輔助材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，則盡可能采用成熟低成本的解決方案(如 Cu bus 與塑料絕緣件的搭配組合實(shí)現(xiàn)功率模塊單元在系統(tǒng)中的電氣連接；模塊內(nèi)部仍采用 Al wire bonding 以及 lead-frame 材料)。

小結(jié)：我再說一下掛我名的事情，并不是每一位工程師都能署名或者寫個(gè)筆名，這是去年早些時(shí)候和友人一起拆解零件時(shí)候做的分析，他寫的一共分為三篇《Model 3 SiC 功率模塊單元拆解與分析 上》《Model 3 SiC 功率模塊單元拆解與分析 中》，如果有資深工程師在逆變器設(shè)計(jì)的崗位需求，也請(qǐng)聯(lián)系我，我代這位友人看看機(jī)會(huì)。