01 前 言

大家好，前段時間賽米控與某德國領(lǐng)先的汽車制造商簽訂了一份十多億歐元（約合人民幣70億）的車規(guī)級碳化硅功率模塊合同。該汽車制造商從本代產(chǎn)品升級到下一代的電動車控制器平臺將全面采用賽米控最新的eMPack®系列車規(guī)級碳化硅功率模塊。該系列產(chǎn)品集結(jié)了眾多賽米控多年積累的“黑科技”，如：雙面燒結(jié)技術(shù)“Double Sided Sintering, DSS”、芯片直接壓接技術(shù)“Direct Pressed Die, DPD”等等。綜合上述技術(shù)優(yōu)勢可以將模塊的雜散電感降低至2.5nH，并大幅延長使用壽命至傳統(tǒng)模塊的十倍以上，預(yù)計2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。

eMPack屬于平臺級產(chǎn)品，適用于400V/800V電驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用，最大輸出750kW，基于該平臺，塞米控可以依據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制：比如模塊芯片可以選擇IGBT或SiC MOSFET，散熱器可以選擇PinFin或傳統(tǒng)的鋁冷卻器。

有小伙伴在老耿的技術(shù)交流群里聊到過這個模塊，但是也僅限于提到這個模塊很厲害，很多細(xì)節(jié)卻不知道。主要是因為塞米控沒有披露太多關(guān)于eMPACK的技術(shù)信息（手冊也沒有），可能和汽車制造商簽了保密協(xié)議。為了滿足大家的好奇心，老耿發(fā)揮了自己善于找資料的優(yōu)勢，查閱了一些論文和網(wǎng)絡(luò)資源，在這里和大家分享出來，希望能對大家有所幫助。。。

02  雙面燒結(jié)技術(shù)

首先讓我們先看一下什么是燒結(jié)技術(shù)？燒結(jié)是一種零件加工技術(shù)，通過硬化金屬粉末，在低于金屬熔化溫度下進(jìn)行烘烤，使"零件成型"的一種技術(shù)，這種工藝稱為粉末冶金，硬化成型零件稱為"燒結(jié)金屬"或"燒結(jié)產(chǎn)品"。燒結(jié)本質(zhì)上是一個固態(tài)的擴散過程，是一個在固體顆粒的熔點以下，分散的顆粒變成完全互連的整體的過程。在這個過程中，燒結(jié)材料可以與界面上部和下部的基材表面形成結(jié)合，最終形成一個良好的連接。

目前功率半導(dǎo)體封裝中常說的低溫銀燒結(jié)就是用很細(xì)的銀粉做焊劑，在250℃和高壓作用下燒結(jié)成成極低孔隙率的銀層，由于銀高達(dá)962°C的熔點，所以也叫低溫?zé)Y(jié)，功率半導(dǎo)體芯片與DBC基板的燒結(jié)過程如下：

銀粉燒結(jié)前后真實的微觀圖片如下：

關(guān)于銀燒結(jié)工藝的優(yōu)勢網(wǎng)絡(luò)資源很多，大家可以進(jìn)一步去查閱，老耿就不細(xì)說了。那什么又是雙面銀燒結(jié)呢？雙面燒結(jié)區(qū)別于單面，單面燒結(jié)即芯片背面（bottom）和DBC基板的上銅層連接采用燒結(jié)技術(shù)（區(qū)別于傳統(tǒng)錫焊），芯片正面仍然采用我們熟知的鍵合線技術(shù)進(jìn)行連接。雙面燒結(jié)技術(shù)即芯片的正面也采用銀燒結(jié)技術(shù)，將金屬導(dǎo)體燒結(jié)到芯片正面（TOP）代替鍵合線。

當(dāng)然，eMPACK并沒采用如上圖所示的銀帶燒結(jié)方式，而是采用了一種柔性電路板技術(shù)，實現(xiàn)芯片互聯(lián)（后面第4節(jié)會有介紹），柔性電路板（區(qū)別與傳統(tǒng)的FR4剛性電路板）在其它行業(yè)應(yīng)用很多了，以質(zhì)量輕、厚度薄、可自由彎曲折疊等優(yōu)良特性而備受青睞。

在查找資料的時候，老耿還發(fā)現(xiàn)了塞米控提到了柔性DBC，如下圖，但是老耿總感覺不太可靠，應(yīng)該是塞米控的技術(shù)實力展示，并沒有用在eMAPCK上，清楚的小伙伴也可以告訴老耿。。。

事實上雙面燒結(jié)技術(shù)對于eMPACK并不是一項新技術(shù)，早在2011年塞米控就在SKiN模塊上實現(xiàn)了該方案，詳細(xì)可以去參考2011年塞米控在PCIM的一篇論文“SKiN：Double side sintering technology for new packages”。

相關(guān)測試結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)焊接工藝，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高5～10倍，模塊芯片正面的鍵合線成為最薄弱環(huán)節(jié)。采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高10倍以上，DCB基板銅層與陶瓷層之間的連接是最薄弱環(huán)節(jié)(后面提到的DPD技術(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化此問題)。為了進(jìn)一步提高器件功率循環(huán)能力和壽命，還可以省略底板，將DBC直接燒結(jié)到散熱片上，與傳統(tǒng)界面材料如導(dǎo)熱硅脂或?qū)岵啾?，銀燒結(jié)層連接使基板到散熱器的熱阻大為減少，如下圖所示。

03 芯片直接壓接技術(shù)

作為雙面燒結(jié)技術(shù)（DSS）的延續(xù)和發(fā)展，賽米控于2016年又推出了芯片直接壓接技術(shù)（DPD）。除了用DSS技術(shù)將芯片燒結(jié)到DBC和柔性層之外，DPD技術(shù)還使用了一個壓力元件，該元件直接在芯片頂部施加壓力。這就優(yōu)化了熱連接最需要加強的地方：芯片正下方。

讓我們先來看看DPD技術(shù)起源，2018塞米控在PCIM上發(fā)表的一篇論文“Enhanced Module design with DPD Technology”，里面提到25 多年前，賽米控就推出了 SKiiP 壓力接觸技術(shù)，該技術(shù)消除了DBC與銅基板焊接疲勞問題，傳統(tǒng)模塊和采用SKiip壓力壓力接觸技術(shù)模塊區(qū)別如下：

由于DBC并不是完全剛性的，對于常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，當(dāng)模塊四角上螺絲固定在散熱上時，由于DBC和基板會存在一定的彎曲（這也是為什么對于大功率模塊要采用多個DBC的原因，不然DBC有可能會存在斷裂情況），因此在固定到散熱上時導(dǎo)熱硅脂要有一定的厚度，不然有的地方可能熱接觸不好。

常規(guī)模塊一方面增加了DBC與銅基板的焊料疲勞問題，另外也增加了芯片至散熱器的熱阻。而采用Skiip壓力接觸技術(shù)，在芯片之外的DBC區(qū)域均勻施加壓力，這樣就可以使用更大面積的DBC，而且可以消除銅基板，直接將DBC采用導(dǎo)熱硅脂壓接在散熱器上。由于沒有大面積的焊接，這就避免了因為溫度變化在不同物質(zhì)產(chǎn)生不同的張力影響，塞米控稱之為“No baseplate”技術(shù)。

看到這里大家應(yīng)該明白Skiip模塊芯片互聯(lián)采用了鍵合線技術(shù)，因此這時鍵合線與芯片的焊點成為了模塊的薄弱點，因此塞米控又采用了柔性電路板燒結(jié)在半導(dǎo)體芯片的正面，解決了鍵合線疲勞問題。eMPACK模塊采用雙面DSS技術(shù)解決了上述問題，那為什么又采用芯片直接壓接技術(shù)技術(shù)，而且還要在芯片正下方呢？前面第2節(jié)也提到過，采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高10倍以上，基板銅層與陶瓷層之間的連接是最薄弱環(huán)節(jié)。由于半導(dǎo)體芯片是發(fā)熱源，其熱膨脹系數(shù)較?。–oefficient of Thermal Expansion, CTE約 3 ppm/K），而DBC陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)較大（Al2O3：約 7 ppm/K），當(dāng)芯片燒結(jié)到DBC的上銅層時，由于芯片與DBC熱膨脹系數(shù)不同，工作時可能會形成微小空腔，進(jìn)而影響了芯片至DBC的熱阻。如果采用壓力元件直接在芯片上方施加壓力，就能夠大大減小由于芯片熱沖擊導(dǎo)致的的空洞。

基于DPD的功率模塊可以靈活地安裝在自然冷卻或強制冷卻的散熱器以及水冷散熱器上。極薄的導(dǎo)熱硅脂帶來了極好的導(dǎo)熱性能，實現(xiàn)系統(tǒng)超高功率密度。DPD技術(shù)還可以用于標(biāo)準(zhǔn)的帶基板或無基板封裝中，以及高性能功率模塊中，由于靈活和非剛性連接，機械應(yīng)力最小，因此，熱循環(huán)和功率循環(huán)能力達(dá)到新的高度。  

04  3D超低雜感技術(shù)

eMPACK采用了兩層柔性電路板，實現(xiàn)正負(fù)母線與芯片之間的互連，如下圖所示，基本原理也是利用了疊層母線技術(shù)（Overlapping），采用柔性電路板和疊層后模塊內(nèi)部的雜感可以控制在1nH左右，如果再加上外部端子可以保證模塊總的雜感在2.5nH。

在這里有必要對柔性電路板進(jìn)一步說明，對于早期的Skin功率模塊來講，只有一層柔性電路板，這個柔性電路板又分為有 3 層，分別為：傳導(dǎo)大電流的底部銅層（燒結(jié)到芯片上層），中間隔離層和用于控制信號的頂層，上面可以放置額外的 SMD，例如溫度傳感器。

而eMPACK采用了兩層柔性電路板，這應(yīng)該又是一次技術(shù)進(jìn)步，模塊外部連接如下圖所示：

塞米控稱這種連接方式為3D封裝，主要為了區(qū)別于傳統(tǒng)2D模塊，傳統(tǒng)的模塊正負(fù)母線（功率端子除外）均被刻蝕在DBC的上銅層，兩者屬于同一個平面，因此雜感相對較大，詳細(xì)對比如下：

為了將模塊的性能發(fā)揮到極致，外部的母線電容也要將電感降低到最小，也要保證正負(fù)母線連接也采疊層技術(shù)，如下圖所示：

05 可焊接端子技術(shù)

eMpack并不是所有的連接點都采用了銀燒結(jié)，對外的功率端子采用的是激光焊接技術(shù)，如下圖：

另外，2021年塞米控在PCIM的一篇論文“Low stray inductance automotive power module using SiC Chipsand welded power terminals ”，里面還提到對外功率端子與電容的連接也可以采用激光焊接，與傳統(tǒng)螺紋端子相比，焊接連接將提供非常低的接觸電阻， 5mm^2的焊接面積電阻＜4uΩ，損耗 < 1W@500A 。

看到這里大家對這個模塊應(yīng)該有所了解了，最后再總結(jié)一下eMpack涉及到的黑科技：雙面燒結(jié)技術(shù)“Double Sided Sintering”、芯片直接壓接技術(shù)“Direct Pressed Die”、可焊接端子技術(shù)“weldable terminals”、柔性電路疊層技術(shù)（flexifoil overlapping）等等。那集以上眾多黑科技于一體的逆變器平臺可以做到多小呢？下圖為2021年賽米控在PCIM展會上賽米控展出的基于eMpack逆變器模塊平臺，可實現(xiàn)500kW僅6升的體積,可見功率密度非常高。

好了，今天就給大家分享到這里，以上內(nèi)容若有不對之處，請大家批評指正！

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