功率模块需要在功率转换效率、热管理、电磁干扰(EMI)、机械和电气鲁棒性以及功率密度等方面进行优化，而这些指标往往需要在设计中进行权衡。本文讨论了一款基于碳化硅(SIC)mosfet的500千瓦/升(kW/l)逆变器模块，该模块采用活性金属钎焊(AMB)芯片嵌入技术，并在功率密度、EMI和热性能方面进行了优化设计。

PCB嵌入式功率器件封装

功率半导体裸片的PCB嵌入并非新概念。该技术已广泛应用于低压功率模块，例如AT&S的MicroSIP(用于手机中的DC/DC转换器)以及服务器应用中的BLADE DC/DC转换器封装。宽带隙(WBG)半导体(如SiC)带来了诸多优势，尤其是在中高功率转换应用中。

图1

与传统Si功率器件相比，SiC器件具有更低的功率损耗和更优的热性能，能够实现更紧凑、更高效的系统解决方案。虽然使用更高的开关频率和更快的开关压摆率可以提高功率密度并降低开关损耗，但代价可能是更差的EMI和可靠性。寄生电感(例如由键合线产生的寄生电感)可能导致电压过冲和振荡，并对最大开关压摆率形成约束。

PCB嵌入技术使用重分布层(RDL)和过孔来连接FET端子，从而形成一种具有本质低电感特性的封装解决方案。在裸片层面，要求采用铜(Cu)顶部金属化取代传统的铝(Al)金属化。目前已展示了许多采用WBG半导体的嵌入式PCB的不同实例。三菱电机的一个团队[1]展示了一种3D垂直结构，该结构采用4层Cu层压设计，包含基于SiC MOSFET的半桥和集成平面输出电感。

来自美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心(CPES)与州立大学以及奥地利AT&S公司的合作团队，利用AT&S基于嵌入式组件封装(ECP)的PCB技术，采用1200V SiC MOSFET制造了降压、升压和AC-DC转换器[2]。英飞凌科技公司与Schweizer Electronic AG合作，展示了采用嵌入式S-Cell封装的1200V CoolSiC器件。

德国弗劳恩霍夫可靠性与微集成研究所(IZM)是PCB嵌入领域的先驱。他们最近展示了一款基于PCB嵌入技术的500kW/l三相驱动逆变器模块。下文将概述该模块的部分设计和性能数据。

500 kW逆变器模块

图1展示了该三相逆变器模块的分解视图。

该逆变器项目是与三菱重工(MHI)合作完成的。1200V SiC MOSFET来自Sanrex公司(三菱重工的合作伙伴/供应商)。拓扑结构基于标准的2电平半桥。为满足功率要求，每个开关位置并联了六个裸片。每个半桥包含十二个裸片，设计为一个嵌入式功率模块，其有效室温导通电阻(RDS(on))为1.8 mΩ/开关(即每个裸片约11 mΩ)。

AMB裸片嵌入

图2展示了嵌入式组件的横截面视图。采用活性金属钎焊(AMB)的氮化硅(Si3N4)作为SiC裸片的基板。AMB具有比氧化铝(Al2O3)更优异的热导率，同时具有比氮化铝(AlN)更好的抗弯强度。AMB与SiC更匹配的热膨胀系数(CTE)也降低了热循环过程中的热机械应力。

该逆变器中使用的AMB具有500 µm厚的顶部Cu层，以增强热扩散能力。与S-Cell等其他嵌入方式相比，这种方法的一个关键优势在于，与PCB层压中使用的环氧树脂预浸料材料相比，Si3N4陶瓷提供了卓越的电绝缘性能，同时还具有更好的导热性。

因此，这种方法消除了在环氧树脂厚度上需要在电绝缘和导热性之间进行权衡的问题。顶部Cu RDL层和过孔提供了与器件端子的连接。虽然带有嵌入式AMB的非对称层叠结构可能产生更大的热机械应力，但通过在AMB底层进一步电镀Cu来减少这种不对称性引起的应力。

采用银烧结技术在面板级别进行SiC器件的裸片贴装，即同时对该模块的12个AMB进行操作。

图2

低电感设计

使用直流链路RC缓冲电路来抑制开关振荡，如图3所示。它形成了两个电感回路。

次级回路从直流链路电容器(Cdc)开始，经过由Rsn和Csn组成的可调缓冲电路，连接到+DC和-DC母线。该回路的净回路电感为5 nH，其中3 nH来自互连，2 nH来自电容器的有效等效串联电感(ESL)。

由于母线是垂直连接的，其电感贡献要小得多。母线的接触点设计为可直接激光焊接到电路板上，从而无需使用会增加电感的螺钉。

初级电感回路包括半桥SiC MOSFET、缓冲电路以及到母线的连接。PCB的层叠结构决定了互连电感的长度。宽Cu布线也有助于限制电感。该回路中的有效电感仅为1 nH量级。两个布线层使得栅极-源极回路能够垂直于功率回路布局，从而最大限度地减少共源电感。

冷却

高功率密度是整体设计中的关键考量因素。因此，在模块下方使用了挤压铝冷却器以提供背面冷却。这种方法也非常具有成本效益。它包含四十多个用于冷却液流动的薄波纹通道。该设计满足了高密度功率模块所需的1 mm通道宽度要求。

这种冷却方法的一个折中是采用直通道，无法提供横向混合，这是为了从小外形尺寸获得更大功率密度而做出的权衡。缓冲电阻的冷却是通过使用导热过孔在嵌入式PCB内部实现的。

直流链路电容器

直流链路采用了Polycharge公司的NanoLam电容器。其优势在于具有非常高的功率密度。实现的净电容为300 µF，仅增加了2 nH的ESL。这些电容器的一个缺点是较高的等效串联电阻(ESR)，导致热损耗。此外，这些损耗是各向异性的，在z方向上更为严重。

该逆变器使用的NanoLam电容器是定制的，顶部和底部带有Cu触点，这些触点焊接到Cu块上以实现垂直热传导。电容器块安装在Al冷却器下方，在最大工作条件下可将其温度保持在130 °C以下。

图3

结果

在该逆变器应用中，开关频率为10 kHz，传导损耗占主导地位。在满载条件下(500 ARMS/相，800 V DC电压)，栅源电压导通(Vgs-on)为20 V时，每个裸片在150 °C下的损耗估计为86 W。使用前视红外(FLIR)热像仪的测量结果显示，缓冲电阻温度达到103 °C，低侧开关温度为88 °C(在冷却液温度为65 °C时，ΔT = 23 °C)。

热阻估计为0.72 K/W/裸片(即对于每个半桥开关中并联的6个裸片，热阻为0.12 K/W)。在这些测试中实现了65 V/ns的开关压摆率。虽然这超过了电机驱动中基于绕组能力通常使用的约40 V/ns的限制，但这表明逆变器并非限制因素。

开关转换时的振荡得到了良好控制，仅持续几十纳秒，即使在MOSFET开关上未添加外部栅极电阻的情况下，在800 V DC母线电压下观察到的峰值过冲为1024 V。在使用无功负载的原型逆变器上，在500 ARMS和800 V DC的满载条件下，峰值效率达到了>99%。