电感降低44.6%！西安交通大学研究团队提出一种具有极低电感的多芯片整体式Clip互连碳 ...

导语

多芯片碳化硅功率模块具有理论上极其优异的特性，然而传统功率模块的结构与布局引入了较大的寄生电感，产生较大的开关过冲与振荡，进而难以体现其理论上的优越性。

西安交通大学研究团队在《电工技术学报》2025年第16期上撰文，提出一种具有极低电感的多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块封装方法，将功率模块内部键合铝线替换成Clip互连，利用电流反向耦合效应降低功率模块内部寄生电感。同时，利用电容直连结构消除外部回路寄生电感，与传统布局功率模块相比电感降低了44.6%。研究人员提出的封装方法具有极低的寄生电感与电压过冲，有利于减小碳化硅器件使用中的电压过冲与损耗，提高变换器的效率。

研究背景

碳化硅功率器件具有优异的理论性能参数，实际性能发挥却受限于传统的功率模块封装方法。传统键合功率模块封装将功率芯片下表面粘接在陶瓷基板上，功率芯片上表面采用键合铝线完成电气连接，并在端子处使用螺栓连接，回路整体寄生电感较大，会因为碳化硅更快的开关速度给开关性能带来更多的负面影响，如增大电压过冲、引发振荡等，增大了开关损耗，降低了系统效率，影响电路的安全工作。因此，针对碳化硅功率模块有必要优化降低寄生电感。

图1 功率模块封装结构截面

论文所解决的问题及意义

传统封装功率模块总电感通常大于10nH，计算功率端子与外部电路通常会超过20nH，较难优化。改进功率模块结构的方法通常可以大幅降低功率模块内部的寄生电感，但也经常会引入新的复杂工艺流程以及与现有系统难以适配的外部接口，给实际应用带来了困难。

研究团队提出了一种具有极低电感的多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块封装方法降低功率模块内部寄生电感，结合电容直连结构消除外部回路寄生电感，大幅降低总回路电感，减小电压过冲与损耗，提升效率。

论文方法及创新点

1、多芯片整体式Clip结构实现功率模块内部电感优化

提出基于多芯片整体式Clip互连的碳化硅功率模块结构，使芯片上表面互连部分的线路布置拥有了远超键合铝线的自由度。在陶瓷基板上规划功率模块内部电流流动路径，使得在换流过程中绝大部分的功率电流在底层陶瓷基板铜路和上层Clip铜路的电流方向均构成反向电流对，从而最大程度地增大反向电流耦合效应，降低回路整体寄生电感。

图2 多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块结构

图3 整体式Clip互连碳化硅功率模块布局结构

2、电容直连结构实现功率模块外部电感优化

采用碳化硅功率模块电容直连结构，不采用端子栓接的方式，而是将线路板与引出的端子直接进行焊接连接，并在端子引出功率模块的位置就近放置陶瓷电容，完成功率模块与外部电路的解耦，最大限度地消除功率端子与外部连接电路电感对开关过程的影响，降低了回路上的总电感。

图4 碳化硅功率模块电容直连结构示意图

3、试验验证结果

制作所设计的功率模块样机并进行性能测试，测试得到所制作的整体式Clip碳化硅功率模块样机功率回路寄生电感为4.53nH，与传统布局的模块相比降低了44.6%，证明所提出的碳化硅功率模块整体具有极低的功率回路寄生电感。

图5 碳化硅功率模块寄生电感测试波形

结论

1）本文提出了整体式Clip互连结构降低了功率模块内部电感，提出了电容直连结构消除了外部电感。

2）所制作的基于一体式Clip互连的1200V/600A碳化硅功率模块样机功率回路电感约为4.53nH，比传统布局的功率模块降低了44.6%，换相回路总寄生电感约为5.87nH。

3）所提出的功率模块封装结构具有极低的寄生电感与电压过冲，有利于减小碳化硅器件使用中的电压过冲与损耗，提高变换器的效率，并使器件工作在更接近额定值的工况，充分地发挥碳化硅器件的优异性能。

团队介绍

西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心（Power Electronics and Renewable Energy Center，PEREC）成立于1995年，依托电工材料电气绝缘全国重点实验室。研究中心拥有教授15人，副教授11人，特聘研究员6人，副研究员1人，助理教授/博士后7人。PEREC始终致力于推动能源技术的创新发展，并一直走在电力电子与新能源技术的科学前沿。

研究中心先后承担了40余项国家自然科学基金项目，承担973计划项目、863计划项目、国家科技支撑计划重点项目、国家重点研发计划项目等国家级重大、重点项目及课题10余项，国际、国内企业合作项目上百项，科研成果显著。在教学方面，研究中心已累计获得国家教学成果二等奖3项，并在2008年获评国家级教学团队；在学术出版方面，研究中心出版了10余部专业著作，在近5年内发表了200余篇SCI论文和300余篇EI论文，并且在2016年、2019年和2021年荣获IEEE电力电子学报的最佳论文奖。研究中心累计获得了2项国家科技进步二等奖、多项省部级科学技术奖项以及多项中国电源学会科学技术奖，并于2018年入选陕西省科技创新团队。

张彤宇

博士研究生，研究方向为碳化硅功率模块封装集成。

王来利

教授，博士生导师，研究方向为宽禁带半导体芯片设计制备；宽禁带半导体芯片设计制备；电力电子变换器拓扑与集成；器件与变换器检测与可靠性；多芯粒先进封装与系统集成。

苗昱

硕士研究生，研究方向为碳化硅功率模块封装性能优化。

裴云庆

教授，博士生导师，研究方向为大功率电力电子拓扑及控制技术。

甘永梅

副教授，硕士生导师，研究方向为宽禁带功率半导体器件封装集成；电力电子器件与变换器可靠性。

本工作成果发表在2025年第16期《电工技术学报》，论文标题为“ 多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块反向耦合低感封装方法“。本课题为国家自然科学基金国家杰出青年科学基金资助项目。

引用本文

张彤宇, 王来利, 苗昱, 裴云庆, 甘永梅. 多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块反向耦合低感封装方法[J]. 电工技术学报, 2025, 40(16): 5106-5118. Zhang Tongyu, Wang Laili, Miao Yu, Pei Yunqing, Gan Yongmei. Multichip Integral Clip Bonding SiC Power Module Reverse Coupling Low Inductance Packaging Method. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(16): 5106-5118.

来源：电工技术学报

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