本文首先創(chuàng)建了 SiC 雙面散熱功率模塊的有限元模型，并對(duì)網(wǎng)格劃分的結(jié)果進(jìn)行了 收斂性分析，驗(yàn)證了網(wǎng)格劃分的正確性?；谝陨夏Ｐ蛯?duì)封裝結(jié)構(gòu)的傳熱性能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，通過對(duì)不同封裝材料的功率模塊進(jìn)行瞬態(tài)分析得出模型應(yīng)使用的較佳材料，最終研究了燒結(jié)銀焊層厚度對(duì)功率模塊結(jié)溫的影響，為 SiC 雙面散熱功率模塊的設(shè)計(jì)提供了參考。

近年來，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）器件為代表的第三代功率半導(dǎo)體技術(shù)在電動(dòng)/混動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、5G 通信裝備以及航空航天等微系統(tǒng)封裝集成應(yīng)用方面呈現(xiàn) 出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值和前景。發(fā)展針對(duì) SiC 器件工作特點(diǎn)的模塊封裝技術(shù)已經(jīng)成為電 子封裝領(lǐng)域的重要研究課題和產(chǎn)業(yè)界的迫切需求。

由于各種材料的限制，硅基功率器件在許多方面已經(jīng)達(dá)到其材料的理論極限，目前所存在的功率模塊封裝技術(shù)大部分都是 為硅基功率模塊設(shè)計(jì)，將其直接應(yīng)用于 SiC 功率模塊，會(huì)出現(xiàn)使用頻率、散熱、可靠性等多方面帶來的新挑戰(zhàn)。本文從熱角度分析 SiC 技術(shù)設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵影響因素，這為發(fā)展針對(duì) SiC 器件工作特點(diǎn)的高可靠互連封裝技術(shù)提供參考依據(jù)。

2.1 SiC 雙面散熱功率模塊模型假設(shè)和簡(jiǎn)化

雙面散熱功率模塊的主要結(jié)構(gòu)包括 SiC 芯片、二極管芯片、燒結(jié)銀焊層、DBC 基 板（包括上銅層、氮化鋁陶瓷層與下銅層）、陶瓷層及填充介電層，功率模塊實(shí)際示意 圖如圖 1 所示。對(duì)模型進(jìn)行假設(shè)和簡(jiǎn)化：功率模塊中的各層材料和結(jié)構(gòu)均為各向同性的均勻?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)；忽略外殼模型的建立；仿真建模時(shí)只建立了包含單個(gè) SiC 芯片和單個(gè)二極管的有限元模型；對(duì)芯片與二極管之間的鋁鍵合線等進(jìn)行了省略，只對(duì)整個(gè)模型的 一半進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)模型進(jìn)行切分并賦予材料。 

圖1 雙面散熱功率模塊實(shí)際示意圖

2.2 SiC 雙面散熱功率模塊有限元模型的網(wǎng)格劃分與收斂性分析 

單元類型為 Thermal Solid 8node 70 單元。在芯片和燒結(jié)銀焊層位置適當(dāng)?shù)膶⒕W(wǎng)格單 元密度增大，其余位置適當(dāng)降低網(wǎng)格密度。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn) 行相應(yīng)的收斂性驗(yàn)證。共使用了 8 種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，對(duì)有限元模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫進(jìn)行對(duì)比，如圖 2 所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到 30 萬時(shí)，有限元仿真得到的模塊結(jié)溫已經(jīng)趨近于收斂。因此有限元仿真計(jì)算中模型的網(wǎng)格數(shù)量盡量保持在 30 萬以上。 

圖2 網(wǎng)格劃分收斂性分析

2.3 雙面散熱功率模塊的熱分析載荷及邊界條件 

仿真中 SiC 芯片發(fā)熱功率為 100W，使用體熱生成載荷施加在 SiC 芯片上，體熱 流密度為 21367mW/mm3。SiC 模塊上下兩底部與水冷之間進(jìn)行強(qiáng)制換熱，其環(huán)境溫度 為 45℃，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為 3mW/(mm² ?K)，對(duì)稱面采取相對(duì)絕熱狀態(tài)，不設(shè)置對(duì)流 換熱，其余裸露在空氣中的模塊表面與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，環(huán)境溫度設(shè)置為 25℃，其對(duì) 流換熱系數(shù)設(shè)置為 0.01mW/(mm² ?K)。添加載荷及邊界條件的有限元模型如圖 3 所示。 

圖 3 功率模塊載荷及邊界條件

通過對(duì) SiC 雙面散熱功率模塊有限元仿真的穩(wěn)態(tài)結(jié)果進(jìn)行分析，得出穩(wěn)態(tài)溫度為 155.933℃，仿真穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖 4 所示。由圖中溫度分布可知，SiC 芯片一側(cè)的溫度大于 二極管一側(cè)的溫度，且呈軸對(duì)稱分布，這是由于模型載荷作用于 SiC 芯片上，且模型構(gòu) 建時(shí)只建立了整體模型的一半。距離芯片越遠(yuǎn)處，溫度越低。由穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)最高溫度節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為 155891 號(hào)節(jié)點(diǎn)，瞬態(tài)仿真基于最高溫度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。

圖 4 雙面散熱功率模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)果

通過對(duì)二氧化硅與環(huán)氧樹脂分別作為填充層時(shí)的功率模塊進(jìn)行有限元仿真，瞬態(tài)對(duì)比圖如圖 5 所示，由瞬態(tài)結(jié)果分析可知，環(huán)氧樹脂作為填充層比 SiO2 作為填充層升溫 速率快，但穩(wěn)態(tài)結(jié)溫高 0.016℃，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)使用的環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率比 SiO2 的熱導(dǎo)率低，熱導(dǎo)率越低，會(huì)使模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫越高。

圖 5 不同填充層瞬態(tài)分析對(duì)比圖

通過對(duì)不同焊料層的材料參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)比圖如圖 6 所示，由瞬態(tài)結(jié)果分析可知 燒結(jié)銀的傳熱能力比 SnPb、SnAg25Sb10、SAC305、Ag 這四種材料的傳熱能力更強(qiáng)，由分析可知，燒結(jié)銀材料較適合作為焊料層。 

圖 6 不同焊料層瞬態(tài)對(duì)比圖

通過對(duì)不同 DBC 基板陶瓷層的材料進(jìn)行瞬態(tài)分析，對(duì)比圖如圖 7 所示，由瞬態(tài)分 析結(jié)果可知，氮化鋁作為材料比氧化鋁作為材料的模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫低了 10.339℃，使用氧 化鈹作為材料比氮化鋁作為材料的模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫低了 2.108℃，但氧化鈹在加工過程中 對(duì)人體有害。由分析可知，氮化鋁更適合作為 DBC 基板的陶瓷層材料。 

圖 7 不同陶瓷層瞬態(tài)對(duì)比圖

在 DBC 基板的陶瓷層使用氮化鋁，焊料層使用燒結(jié)銀，填充層使用環(huán)氧樹脂的模型中，更改燒結(jié)銀焊層的厚度，針對(duì) 5 種不同厚度的燒結(jié)銀有限元模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析。不同燒結(jié)銀厚度對(duì)應(yīng)的模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫對(duì)比如圖 8 所示，分析得到模塊的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫與燒結(jié)銀的厚度呈線性關(guān)系。

圖 8 不同燒結(jié)銀厚度的結(jié)溫對(duì)比

本文通過傳熱分析研究了雙面散熱有限元模型的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，得到了在特定載荷下 的模塊結(jié)溫為 155.933℃，通過對(duì)不同填充層、不同焊料層、不同陶瓷基板層進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，得出較佳的使用材料。在此基礎(chǔ)上，通過改變燒結(jié)銀的厚度對(duì)功率模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到雙面散熱功率模塊的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫與燒結(jié)銀的厚度呈線性關(guān)系。