基于高性能碳化硅(SIC)半导体的功率模块需要对热性能、电磁干扰(EMI)和可靠性进行精心优化。终端用户通常需要支付额外的价格溢价，尤其是针对高开关频率和大功率应用的模块。

在本系列文章中，我们探讨了一项研究，该研究着眼于基于分立SiC功率器件重新封装以形成模块的高性价比替代方案。第一部分研究了基于直接覆铜(DBC)陶瓷基板的模块;在第二部分中，我们将重点分析采用绝缘金属基板(IMS)在此方案中带来的进一步成本优势。

功率模块中的IMS

IMS采用金属基底，并在其上放置合适的介电材料以实现电气绝缘。介电层可以是陶瓷-聚合物混合物。介电层上方的铜箔提供了基础层，功率器件可以焊接在其上。IMS的一些特性包括：

基底金属通常为铝(Al)，其密度不到铜的三分之一，因此与基于DBC的功率模块相比，可以减轻模块的整体重量。

IMS的制造工艺类似于印刷电路板(PCB/FR4)的组装，尤其是成像和蚀刻的初始步骤。IMS板是单面的，功率器件应用对铜线间距使用更大的设计规则。在功率应用中，更厚的铜箔比普通PCB应用能支持更高的电流水平和更好的热量扩散。铜箔厚度范围可从35 µm到超过100 µm。通孔(如电镀过孔所需的孔)可以从顶部钻至金属基底。板子的分板可以像PCB一样高度自动化，但需要专用的金属切割刀片。

介电层可能是最重要的因素，它决定了基板的热阻抗和介电强度。填充陶瓷的复合环氧树脂允许对基板进行机械加工，其厚度范围在50-100 µm之间。较薄的介电层可改善热阻抗，但会降低局部放电起始电压(PDIV)。双层IMS包含两层绝缘层和两层铜层，能以更高的热阻为代价提供更高的绝缘能力。

IMS基板已在LED照明设计中得到广泛应用，但通常不用于更高功率的应用，如电动汽车(EV)牵引逆变器。其热导率范围在1 – 10 W/mK之间，低于直接覆铜(DBC)所用陶瓷基板(如氧化铝Al2O3，约25 W/mK)的热导率。

较薄的介电层会引入较大的寄生电容，导致高开关频率应用中出现EMI问题。然而，IMS相对于DBC基板的一个关键优势是其成本较低，可比DBC基板低20倍以上。

基于分立SiC功率器件和IMS的功率模块

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的陈子博和Alex Huang教授提出了一种新颖的功率模块[1]，该模块基于IMS上的分立功率器件。基本的截面示意图如图1所示。

图1

图1中的(c)和(d)分别展示了使用单层IMS和双层IMS的情况。基于这两种方法，研究人员构建并验证了1200 V/400 A/2.2 mΩ的半桥功率模块。这些设计的一些特点总结如下：

四个来自安森美(onsemi)的共源共栅分立器件(UF3SC120009K4S)并联作为有源开关。这些器件采用TO-247-4封装，基于1200 V、8.6 mΩ的SiC JFET。

该模块包含三个主要子组件：作为基板和底板双重作用的IMS板、一个包含每个分立器件上方缓冲电路和去耦电容的RC缓冲电路板，以及一个连接SiC器件和功率端子的内部PCB母线。组件与IMS之间涂覆焊锡膏后进行回流焊接。

IMS的铜层厚度为35 µm，单层和双层IMS的介电层厚度均为120 µm。测得半桥模块的开关节点对金属的寄生电容为305 pF。这可能导致严重的EMI问题。解决方案是在双层IMS中集成共模(CM)电容和EMI屏蔽层(如图1(d)所示)。底部铜层通过共模电容连接到直流电压中点。10Ω电阻和680 pF电容组成的RC缓冲电路进一步抑制了开关转换过程中的振荡。

通过3D仿真提取的功率换向回路电感为6.8 nH。这与同类额定功率的商业SiC功率模块相当。低电感有助于最大限度地减少开关转换过程中的电压过冲。

测试结果

通过使器件在二极管模式下(即栅极与漏极短接)流过7A直流电流，并使用FLIR E60热像仪捕捉温升，进行了热性能评估。比较了单层IMS设计、双层IMS设计以及基于0.38 mm氮化铝(AlN)的DBC基板模块(所有模块使用相同的散热器和冷却风扇)。测得的温度如下：

单层IMS：72.1 °C

双层IMS：107 °C

DBC AlN：50 °C

提取的半桥模块的结壳热阻(Rθjc)对于单层IMS为0.24 °C/W，对于双层IMS为0.44 °C/W。这些数值高于商业半桥模块，例如Wolfspeed的CAB450M12XM3为0.11 °C/W。

图2

对单层IMS模块进行的介电耐压测试显示，在电压超过2600 V时出现重复泄漏。这表明其耐压能力低于2600 V，但对于该模块预期的1200 V应用(通常母线电压为800 V或更低)来说具有足够的余量。双层IMS进一步提高了耐压能力，但代价是更高的热阻。

进行了双脉冲测试(DPT)以测量开关性能。开关转换过程中的共模电流和电压过冲/振荡是衡量EMI性能的良好指标。

在600 V直流母线电压和520 A电流下对器件进行了测试。图2中的结果显示了双层IMS与DBC AlN模块的性能比较。

基于IMS的模块中集成的EMI屏蔽、RC缓冲电路和共模电容有助于减少电压过冲和共模电流，并快速抑制振荡。共模电压和共模电流分别改善了46%和32%，同时使用IMS板组装的电压过冲也略有减少。

IMS与商业功率模块的比较

基于分立SiC器件重新封装的IMS模块，为高压、大功率应用提供了一种高性价比的商业功率模块替代方案。采用3D集成方法，包括RC缓冲电路、共模电容和集成屏蔽等EMI抑制措施，即使与更昂贵的DBC模块相比，也能产生更优异的开关性能。

减薄双层IMS上的介电层厚度可以改善其热性能，同时仍能实现本研究中展示的EMI屏蔽方法。进一步的可靠性评估(如功率循环和温度循环)将是必不可少的。