基于裸片封装的SiC MOSFET功率模块热分析*

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2022.08.006

电器与能效管理技术 ›› 2022, Vol. 0 ›› Issue (8): 39-43.doi: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2022.08.006

基于裸片封装的SiC MOSFET功率模块热分析^*

王浩南¹, 曹玉峰², 赖耀康², 胡彩霞³, 张宏宇¹, 王梓丞¹, 翟国富¹

1. 哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所, 黑龙江哈尔滨 150001
2. 北京市科通电子继电器总厂有限公司, 北京 100176
3. 北京航天自动控制研究所, 北京 100854

收稿日期:2022-04-02 出版日期:2022-08-30 发布日期:2022-10-11
作者简介:王浩南(1998—),男,硕士研究生,研究方向为电力电子器件及系统可靠性。|曹玉峰(1982—),男,高级工程师,主要从事高可靠固态功率控制器和固态继电器研究。|赖耀康(1984—),男,高级工程师,主要从事固态继电器、固态功率控制器研发工作。
基金资助:
^*国家自然科学基金项目(61671172)

Thermal Analysis of SiC MOSFET Power Module Based on Die Package

WANG Haonan¹, CAO Yufeng², LAI Yaokang², HU Caixia³, ZHANG Hongyu¹, WANG Zicheng¹, ZHAI Guofu¹

1. Reliability Institutefor Electric Apparatus and Electronics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
2. Beijing Keytone Electronic Relay Corp., Beijing 100176, China
3. Beijing Institute of Aerospace Automatic Control, Beijing 100854, China

Received:2022-04-02 Online:2022-08-30 Published:2022-10-11

摘要/Abstract

摘要：

SiC MOSFET因其耐高温、高压的优点,被广泛应用于大功率固态功率控制器的设计中。针对固态功率控制器工况,选用裸片封装的SiC MOSFET,对功率模块的堆叠结构进行设计及热阻分析;对键合结构的选型与布局进行设计;对封装连接铜线、铜带的热影响进行分析。在封装设计基础上,通过有限元仿真对功率模块热性能进行评估。最后,搭建平台进行单路热测试。结果验证了仿真的准确性,以及封装设计的合理性。

关键词: SiC MOSFET, 裸片封装, 热路理论, 固态功率控制器, 有限元热仿真

Abstract:

SiC MOSFETs are widely used in the design of high-power solid-state power controllers due to the high temperature and high voltage resistance advantages.Aiming at the working conditions of solid-state power controllers,the die-packaged SiC MOSFETs are selected.The stacked structure of the power module is designed and its thermal resistance is analyzed.The selection and layout of the bonding structure is designed.The thermal influence of the package connection copper wire and copper tape is analyzed.Based on the packaging design,the thermal performance of the power module is evaluated by the finite element simulation.Finally,a platform for single channel thermal test is build.The results verify the accuracy of the simulation and the rationality of the packaging design.

Key words: SiC MOSFET, die package, thermal circuit theory, solid-state power controller, finite element thermal simulation

中图分类号:

TM46

王浩南, 曹玉峰, 赖耀康, 胡彩霞, 张宏宇, 王梓丞, 翟国富. 基于裸片封装的SiC MOSFET功率模块热分析^*[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(8): 39-43.

WANG Haonan, CAO Yufeng, LAI Yaokang, HU Caixia, ZHANG Hongyu, WANG Zicheng, ZHAI Guofu. Thermal Analysis of SiC MOSFET Power Module Based on Die Package[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2022, 0(8): 39-43.

图/表 15

图1

图2

图3

表1

图4

表2

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表3

图11

图12

参考文献 7

[1]	叶雪荣, 郑志洪, 陈哲, 等. 固态功率控制器国内外发展现状[J]. 电器与能效管理技术, 2015(2):1-5.
[2]	张开新, 郑志洪, 叶雪荣, 等. 基于Saber的固态功率控制器行为模型及其应用研究[J]. 电器与能效管理技术, 2019(2):8-13.
[3]	王浩南, 赖耀康, 张宏宇, 等. 基于产品结构的SSPC寄生参数提取及阻性负载开关特性仿真分析[J]. 电器与能效管理技术, 2021(2):20-25.
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材料	导热率K_i/ [W·(m·K)^-1]	厚度L_i/ mm	总计热阻值/ (K·W^-1)
SiC MOSFET	148	0.3
焊料(SnPb)	49	0.1
DBC上铜层	401	0.3
DBC陶瓷夹层	21	0.38	2.21
DBC下铜层	-	-
导热胶	0.5	0.1
铜底座	-	2.5

测试点	测试值/mΩ	测试点	测试值/mΩ
AC	91	DE	85
AD	73	EG	105
AE	146	EH	65
DF	102

名称	材料	导热率/ [W·(m·K)^-1]	比热/ [J·(kg·K)^-1]
键合引线	铝	98	902
SiC MOSFET	SiC	148	300
焊料层	Sn₆₃Pb₃₇	49	176
DBC铜层	铜	401	385
DBC陶瓷夹层	Al₂O₃	21	896
灌封胶	Mask	0.17	795
PCB	FR-4	0.35	1 300

基于裸片封装的SiC MOSFET功率模块热分析^*

Thermal Analysis of SiC MOSFET Power Module Based on Die Package

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[1]	王梓丞, 赖耀康, 王浩南, 曹玉峰, 叶雪荣, 翟国富. 基于图形化修正的SiC MOSFET等效建模方法[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(4): 6-11.
[2]	赖耀康, 王浩南, 曹玉峰, 王梓丞, 叶雪荣, 翟国富. 多通道SiC固态功率控制器热仿真及设计优化[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(2): 42-45.
[3]	王浩南, 赖耀康, 张宏宇, 曹玉峰, 叶雪荣, 翟国富. 基于产品结构的SSPC寄生参数提取及阻性负载开关特性仿真分析[J]. 电器与能效管理技术, 2021, 0(2): 25-30.