Cree 公司旗下 Wolfspeed 最近推出新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊。該系列模塊采用了碳化硅 (SiC) 器件以及業(yè)內(nèi)熟知的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)。Wolfspeed 多年來一直致力于 SiC 材料和器件的研究和優(yōu)化，這些模塊便是以此為基礎(chǔ)構(gòu)建而成的。
這些模塊不僅帶來了載流量增加、低開關(guān)損耗等重大改進(jìn)，還提供了諸多關(guān)鍵優(yōu)勢，例如堅實耐用的壓接式引腳、彈簧式無基板模塊連接、與第二供應(yīng)商兼容的尺寸、通過嵌入式 NTC 進(jìn)行集成溫度檢測以及相較于其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊擁有更高的功率密度。全新 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊填補(bǔ)了高電流模塊和分立式元件之間的空缺，提供了一種相較于分立元件并聯(lián)方案更加簡單、更加堅實耐用、更加靈活的選擇。
本文探討全新 Wolfspeed WolfPACK 系列 SiC 無基板功率模塊，并展示了這種多用途可擴(kuò)展模塊設(shè)計如何支持對當(dāng)前硅 (Si) 設(shè)計進(jìn)行快速升級并加快其面市的速度。
SiC 技術(shù)的優(yōu)勢
與行業(yè)傳統(tǒng) Si 技術(shù)相比，SiC 器件導(dǎo)通損耗更低、開關(guān)轉(zhuǎn)換速度更快、工作溫度更高且更為穩(wěn)固耐用。一般來說，這些性能優(yōu)勢可轉(zhuǎn)化為更高的功率密度和更高的效率，而增強(qiáng)的可靠性還可降低系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的維護(hù)成本。
圖 1 展示了各種材料在多個擊穿電壓下的性能。在高母線電壓下，在考慮高開關(guān)頻率時 SiC 是首先的材料選擇。
SiC 功率無基板模塊
Wolfspeed WolfPACK 模塊將 SiC MOSFET 內(nèi)置于可重新配置的封裝中，該封裝采用 PressFIT 無焊引腳連接外部 PCB（見圖 2）。這些引腳排列在網(wǎng)格中，并可根據(jù)內(nèi)部模塊設(shè)計進(jìn)行定位，支持多種 SiC 器件拓?fù)?，例如半橋或六管集成?/div>
圖 2. Wolfspeed WolfPACK 內(nèi)置 PressFIT 引腳、PCB 安裝孔和散熱安裝片
此模塊使用金屬安裝片作為彈力接口。此設(shè)計使得壓力沿模塊底部均勻分布，從而確保與散熱片熱接觸。Wolfspeed 安裝指南建議使用兩顆螺栓固定散熱片，并使用四顆螺絲將外殼連接至 PCB。這些緊固件可在散熱片、模塊和 PCB 之間提供牢固、穩(wěn)定的機(jī)械連接。
圖 3 展示了帶基板模塊和 Wolfspeed WolfPACK 模塊系列之間不同的熱疊層。無基板設(shè)計不僅能夠減輕模塊重量，還能夠減小封裝尺寸。視熱管理系統(tǒng)而定，無基板設(shè)計中的總熱阻 Rthih 通常更低。此外，陶瓷直接敷銅 (DBC) 基板可為散熱片提供優(yōu)越的電氣隔離而熱阻較低，從而使得這些無基板模塊相較于帶隔離墊的分立式設(shè)計熱性能出色許多。反過來，這也使得這些模塊相比于同樣的分立封裝器件，能夠提供更好的載流量。并且，Wolfspeed WolfPACK 模塊結(jié)合了 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢，與基于 IGBT 的模塊相比，可顯著減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。
圖 3. 帶基板和無基板疊層的比較
借助 Wolfspeed WolfPACK 設(shè)計系統(tǒng)
如上所述，Wolfspeed WolfPACK 功率模塊采用 PressFIT 引腳技術(shù)，這是一種成熟的連接方法，利用帶有弓形主體的引腳。引腳在插入有鍍層的 PCB 通孔時受到壓縮，這樣的壓縮可以提供高可靠性和出色的電/熱/機(jī)械特性，且無需進(jìn)一步緊固、使用專用零件或焊接。
省去專用連接器或適配器還能縮短安裝時間，因為模塊可被正確定向并推合到位。此連接方式簡單而牢固，可減少系統(tǒng)維護(hù)，與此同時，模塊的單向性還可防止不正確的安裝。
此外，Wolfspeed WolfPACK 模塊可拆除，并可重復(fù)用于其他設(shè)計或配置。因此，這些模塊不僅可靠，而且用途廣泛，能夠用于各種原型設(shè)計。并且，PressFIT 連接的高可靠性讓工程師能夠制作出與最終產(chǎn)品非常相似的原型。開發(fā)階段數(shù)由此得以減少，工程師可以放心了解最終產(chǎn)品的性能。
探索 SiC 功率無基板模塊解決方案的優(yōu)勢
Wolfspeed WolfPACK SiC 無基板功率模塊包含氧化鋁基片，可為 MOSFET 提供熱傳輸、電氣隔離和信號/功率路徑支持。圖 4 所示的是六管集成和半橋功率模塊的內(nèi)部排列，這兩種模塊均集成用于溫度檢測的 NTC 元件。此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸/引腳分配，支持多種替代料且易于將現(xiàn)有系統(tǒng)升級至 SiC。
圖 4. 六管集成模塊（左）和半橋模塊（右）的內(nèi)部排列
Wolfspeed WolfPACK 模塊不需要散熱片電氣隔離（因為已通過鋁基片實現(xiàn)隔離），由此可降低半導(dǎo)體器件與熱管理系統(tǒng)之間的熱阻。圖 5 所示的是一種使用模板/網(wǎng)篩涂敷熱傳介質(zhì)材料，其可用作組裝流程的一部分且有助于散熱。熱傳介質(zhì)材料 (TIM) 可能會導(dǎo)電，因為電絕緣 TIM 的熱性能通常有所降低。
圖 5. 用于 Wolfspeed WolfPACK 模塊的熱傳介質(zhì)
在比較無基板模塊和傳統(tǒng)高電流模塊時，Wolfspeed WolfPACK 模塊能夠以更小的尺寸和更低的組裝成本實現(xiàn)更高的功率密度。這是由于其將多個 SiC MOSFET 集成到單一小封裝中，并減少了散熱片和 PCB 之間的高度。因此，相較于分立器件或傳統(tǒng)封裝，其可支持更多緊湊型設(shè)計。Wolfspeed WolfPACK 模塊能夠并聯(lián)連接，設(shè)計者可以創(chuàng)建可擴(kuò)展至合適功率水平的系統(tǒng)，同時優(yōu)化空間和成本。
圖 6 對比了一個 62 mm 高電流模塊和三個 Wolfspeed WolfPACK 模塊的物理尺寸。可在相似大小空間內(nèi)安裝多個模塊，無需浪費(fèi)空間的大體積高電流模塊。此外，借助 PressFIT 引腳和 PCB 進(jìn)行電源布線，而無需使用笨重銅排。
圖 6. 一個 62 mm 高電流模塊與三個 Wolfspeed WolfPACK 模塊的物理尺寸對比
另外，Wolfspeed WolfPACK PCB 安裝支持使用重疊平面以最大程度減小電感，從而實現(xiàn)快速開關(guān)。
小結(jié)
Wolfspeed WolfPACK SiC 功率無基板模塊可讓設(shè)計者對傳統(tǒng) Si 無基板模塊進(jìn)行可靠、快速的升級。此技術(shù)在中功率系統(tǒng)中表現(xiàn)出極佳的可擴(kuò)展性，且有可能大大減小轉(zhuǎn)換器尺寸并降低系統(tǒng) BOM 成本，同時為設(shè)計者提供選擇，填補(bǔ)分立元件和高載流量模塊之間的空缺。
Wolfspeed 提供參考設(shè)計、熱建模文件和學(xué)習(xí)材料，指導(dǎo)如何通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硪约皺C(jī)械子系統(tǒng)集成充分使用無基板封裝。這些材料可用來幫助優(yōu)化電氣設(shè)計、協(xié)助熱建模以及在將 Wolfspeed WolfPACK 模塊集成到各種應(yīng)用方面提供指導(dǎo)。
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