浙江大学盛况课题组：基于Cu烧结的新型双面冷却SiC功率模块

针对额定标称1200V/600A的功率模块，提出一种基于Cu烧结的超紧凑、高功率密度的双面冷却(Double-sided cooling，DSC)的SiC功率模块。通过辅助衬底作为栅极驱动电路，这提高了主基板上Cu涂层的利用率。这个设计实现了超紧凑的结构组成，并且使功率密度高达6.7e4 kW/L。作者通过自制Cu浆料和甲酸辅助的低温无压烧结工艺实现了Cu烧结工艺。测试结果表明了，Cu烧结接头的抗剪强度达到了43MPa，这超过了MIL-STD-883J标准。而且，在额定工作电压和电流（1200V/600A）的测试条件下，制备所得的DSC功率模块具有良好的开关特性。经过测试，该功率模块的总寄生电感仅为3.94nH，结-壳热阻低至0.112K/W。总之，基于Cu烧结的DSC功率模块具有较高的机械、电气和热性能。

背景

基于SiC MOSFET的功率模块目前正逐渐应用于各种场景中，如电动汽车、光伏发电、风力发电逆变器等等。在相同的额定电压和电流下，SiC器件的尺寸比Si基器件要小得多，这使得SiC功率模块可以设计的更加紧凑。但是因SiC器件尺寸较小，又使得SiC器件具有更高的热密度和电流密度，这就给模块结构设计带来了严峻的挑战。目前，双面冷却（Double-sided cooling，DSC）技术正成为提高SiC功率模块封装散热设计的可行方案。此外，较小的封装底板面积也会具有较低的寄生电感。用于芯片与底板之间电学连接和热传导的互连层是DSC功率模块的关键组成部分，不幸的是，它是目前模块封装结构的薄弱点。互连层的性能直接影响了模块电性、热性能和可靠性。纳米银烧结技术因其高的导电导热和良好的机械性能也广泛应用于DSC模块的互连层。但是，银烧结在高电流密度应用可能会引起严重的电迁移现象，导致形成金属空隙并带来电、热和机械性能的严重退化。

与银烧结技术相比，Cu烧结具有相当的导电性和导热性，并且Cu烧结可以在高温和高电流密度环境下工作，不会引起电迁移问题。此外，Cu烧结具有优异的机械性能和高的抗疲劳性。因此Cu烧结无论是成本还是性能上都更适合高功率密度DSC功率模块封装方案。

基于此，作者提出了一种基于Cu烧结且超紧凑的1200V/600A的DSC SiC功率模块，设计辅助基板用于栅极驱动电路，实现了主底板上芯片紧凑布局。此模块通过作者自制的Cu浆料和甲酸辅助的低温无压烧结工艺制备得到。并在实验和测试中验证了其电学性能、热性能和机械性能以及可靠性。

DSC功率模块结构与制造

如下图所示，新结构将两个bare die分别面朝上和面朝下放置于顶部和底部的底板上，这种结构不需要额外的隔离物来实现顶部和底部之间的电连接。此外，栅极驱动电路设计成独立的门极驱动基板，这有利于提高顶部和底部底板上Cu层的利用率，这将增强过流能力、散热能力和机械强度。这些设计使得模块布局更加紧凑，从而实现更高的功率密度，同时还使得寄生参数和热耦合最小化，从而实现更高的散热效率。

模块具体组成是，半桥模块的高、低侧分别由10个并联的SiC MOSFET组成，并联的SiC MOSFET对称放置于栅极驱动基板的两侧，有利于芯片的均流。此外，每个SiC MOSFET芯片都具有Kelvin源极连接和配置的栅极驱动电阻。此外，采用甲酸辅助低温无压Cu烧结工艺实现焊接互联，不仅满足了DSC功率模块高可靠性互联的要求，还是实现了优异的电学性能和热性能。模块的紧凑布局使得其体积仅为相同额定功率的商业模块的1/10。

模块制造流程

如下图所示，通过Cu烧结实现芯片与底板之间的焊接，芯片贴装后通过Cu烧结将与栅极驱动电阻焊接一起的栅极驱动底板连接到顶部和底部的底板上。此外，芯片和互连的Mo-Cu柱之间的焊接也是基于Cu烧结。然后使用直径10miu的Al线来键合栅极和Kelvin源极。此外，用于栅极和Kelvin源极连接的Cu段子和引脚焊接在底板上。最后，通过Cu烧结实现MoCu柱与顶部和底部底板之间的互联，再通过环氧树脂封装半桥模块。

甲酸辅助的低温无压Cu烧结技术

下图说明了这个技术的机理，在预热阶段，部分有机物附着再Cu纳米颗粒的表明，在甲酸气氛中，这些附着的有机物与甲酸发生酯化反应，所得产物随温度升高而蒸发。随着有机物的蒸发，甲酸可以与Cu纳米颗粒表面的氧化层反应生成甲酸铜HCOOCu。当温度超过160℃时，甲酸铜逐渐分解生成具有高表面能的Cu原子。

此时，烧结的过程开始。在高温下，甲酸分解产生还原剂H2，当温度达到200℃时，H2与Cu纳米颗粒表面的氧化层反应，直接还原氧化层，最终在烧结过程中Cu原子形成致密的烧结层。

基于以上的烧结工艺，得到工艺曲线。将预组装好的样品置于甲酸七分钟，在150℃下预热20min，随后升温至240℃，再次通入甲酸进行30min的无压Cu烧结。为了进行对比，将其它样品放置于N2气氛中进行预热和烧结，其它设置相同。

实验中使用的自制Cu浆料如下图。Cu浆的分布是通过注射器进行控制。此外这个自制Cu浆料通过SEM显微镜观察到Cu纳米颗粒的形状为小球形，Cu纳米颗粒的表面附着一些更小的微小颗粒，推测Cu纳米颗粒表面发生了部分氧化，形成了氧化层。

下图则展示了利用自制Cu浆料进行芯片焊接后的实物图。SiC MOSFET和底板直接的互连是通过Cu的烧结实现，使用FIB切片观察看到烧结层的横截面中没有发生分层现象。

为了进一步阐明烧结过程的影响，继续利用SEM观察Cu烧结区域的横截面形态。在240℃下烧结后，Cu纳米颗粒之间的焊接变得明显，Cu纳米颗粒之间发生生长和孔收缩，导致了与初始浆料的形貌完全不同的变化。当使用甲酸辅助的低温无压烧结时，烧结的Cu纳米颗粒层的孔隙率显著降低。

在N2气氛下烧结，剪切强度达到32MPa，而在甲酸气氛下烧结，剪切强度达到了45MPa。剪切试验结果表明，在甲酸气氛中烧结的Cu浆可以获得明显好的烧结性能。因此，采用甲酸辅助低温无压烧结可以制作出具有高可靠互连的DSC功率模块。

DSC功率模块的性能

所得的功率模块双脉冲测试结果如下，利用新技术所得到的功率模块具有超过1200V的阻断电压和超过600A的额定电流的能力。因此其额定功率高达6.7e4kW/L。

第二个脉冲的开通和关断波形如下图。在关断瞬态过程中，VDS上升到1200V，并伴有121.6V的过冲电压，同时测得最大的dI/dt=3.96A/ns。因此双脉冲电路的总寄生电感可由公式：

计算得到寄生电感为30.71nH。ΔU是寄生电感引起的DS端过冲电压，Lloop为寄生电感，包括实验平台的寄生电感LDC+Llink和DSC模块的寄生电感Lmodule。通过仿真计算得到实验平台LDC+Llink的寄生电感为26.77nH，DSC功率模块Lmodule的寄生电感为3.94nH。

为了测试所得DSC功率模块的热性能，用于瞬态热阻测试的实验装置如下图。DSC功率模块两侧安装有水冷板，在两侧冷却的情况下测试功率模块的结到壳热阻Rth。选择体二极管正向压降VF作为温度敏感参数，通过测试不同温度下测量体二极管的正向压降，可以看到，体二极管的正向压降随温度线性变化。

在瞬态热阻的测试过程中，通过调节水的流量来模拟不同的传热系数，从而计算得到热阻。在两侧冷却条件下，在不同的传热系数下测试得到两条瞬态热阻曲线。可以看出，在两侧冷却条件下，DSC功率模块的结到壳热阻Rth仅为0.112K/W。

总结

文章作者提出了一种基于Cu烧结的高功率密度、高性能1200V/600 A DSC SiC功率模块，增强了主基板上铜层的载流和散热能力，有利于实现超紧凑的布局。模块的外部尺寸仅为50mm×50mm×4.3mm，采用自制的Cu浆料和甲酸为原料，制备了基于Cu烧结的DSC功率模块。

实验表明，基于Cu烧结的DSC功率模块具有优异的机械、电气和热性能，烧结铜接头的剪切强度高达43MPa，比N2气氛下烧结的接头剪切强度高41%，超过MIL-STD-883J标准的要求。

双脉冲测试结果表明，所制备的DSC功率模块在额定功率下具有良好的开关性能（1200V/600A）。此外，该模块的功率回路寄生电感仅为3.9 nH。此外，瞬态热阻测试表明，该模块具有出色的功率处理能力，结-壳热阻仅为0.112K/W，充分发挥了SiC MOSFET的优异性能，具有工程应用潜力。

来源：功率半导体器件

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