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Cree 公司旗下 Wolfspeed 最近推出新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块。该系列模块采用了碳化硅 (SiC) 器件以及业内熟知的功率模块封装结构。Wolfspeed 多年来一直致力于 SiC 材料和器件的研究和优化,这些模块便是以此为基础构建而成的。


这些模块不仅带来了载流量增加、低开关损耗等重大改进,还提供了诸多关键优势,例如坚实耐用的压接式引脚、弹簧式无基板模块连接、与第二供应商兼容的尺寸、通过嵌入式 NTC 进行集成温度检测以及相较于其他行业标准模块拥有更高的功率密度。全新 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块填补了高电流模块和分立式元件之间的空缺,提供了一种相较于分立元件并联方案更加简单、更加坚实耐用、更加灵活的选择。


本文探讨全新 Wolfspeed WolfPACK 系列 SiC 无基板功率模块,并展示了这种多用途可扩展模块设计如何支持对当前硅 (Si) 设计进行快速升级并加快其面市的速度。


SiC 技术的优势

与行业传统 Si 技术相比,SiC 器件导通损耗更低、开关转换速度更快、工作温度更高且更为稳固耐用。一般来说,这些性能优势可转化为更高的功率密度和更高的效率,而增强的可靠性还可降低系统在整个生命周期内的维护成本。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图1

图 1 展示了各种材料在多个击穿电压下的性能。在高母线电压下,在考虑高开关频率时 SiC 是首先的材料选择。


SiC 功率无基板模块

Wolfspeed WolfPACK 模块将 SiC MOSFET 内置于可重新配置的封装中,该封装采用 PressFIT 无焊引脚连接外部 PCB(见图 2)。这些引脚排列在网格中,并可根据内部模块设计进行定位,支持多种 SiC 器件拓扑,例如半桥或六管集成。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图 2. Wolfspeed WolfPACK 内置 PressFIT 引脚、PCB 安装孔和散热安装片


此模块使用金属安装片作为弹力接口。此设计使得压力沿模块底部均匀分布,从而确保与散热片热接触。Wolfspeed 安装指南建议使用两颗螺栓固定散热片,并使用四颗螺丝将外壳连接至 PCB。这些紧固件可在散热片、模块和 PCB 之间提供牢固、稳定的机械连接。


图 3 展示了带基板模块和 Wolfspeed WolfPACK 模块系列之间不同的热叠层。无基板设计不仅能够减轻模块重量,还能够减小封装尺寸。视热管理系统而定,无基板设计中的总热阻 Rthih 通常更低。此外,陶瓷直接敷铜 (DBC) 基板可为散热片提供优越的电气隔离而热阻较低,从而使得这些无基板模块相较于带隔离垫的分立式设计热性能出色许多。反过来,这也使得这些模块相比于同样的分立封装器件,能够提供更好的载流量。并且,Wolfspeed WolfPACK 模块结合了 SiC 技术的优势,与基于 IGBT 的模块相比,可显著减小转换器的尺寸。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图 3. 带基板和无基板叠层的比较


借助 Wolfspeed WolfPACK 设计系统

如上所述,Wolfspeed WolfPACK 功率模块采用 PressFIT 引脚技术,这是一种成熟的连接方法,利用带有弓形主体的引脚。引脚在插入有镀层的 PCB 通孔时受到压缩,这样的压缩可以提供高可靠性和出色的电/热/机械特性,且无需进一步紧固、使用专用零件或焊接。


省去专用连接器或适配器还能缩短安装时间,因为模块可被正确定向并推合到位。此连接方式简单而牢固,可减少系统维护,与此同时,模块的单向性还可防止不正确的安装。


此外,Wolfspeed WolfPACK 模块可拆除,并可重复用于其他设计或配置。因此,这些模块不仅可靠,而且用途广泛,能够用于各种原型设计。并且,PressFIT 连接的高可靠性让工程师能够制作出与最终产品非常相似的原型。开发阶段数由此得以减少,工程师可以放心了解最终产品的性能。


探索 SiC 功率无基板模块解决方案的优势

Wolfspeed WolfPACK SiC 无基板功率模块包含氧化铝基片,可为 MOSFET 提供热传输、电气隔离和信号/功率路径支持。图 4 所示的是六管集成和半桥功率模块的内部排列,这两种模块均集成用于温度检测的 NTC 元件。此外,行业标准的尺寸/引脚分配,支持多种替代料且易于将现有系统升级至 SiC。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图 4. 六管集成模块(左)和半桥模块(右)的内部排列


Wolfspeed WolfPACK 模块不需要散热片电气隔离(因为已通过铝基片实现隔离),由此可降低半导体器件与热管理系统之间的热阻。图 5 所示的是一种使用模板/网筛涂敷热传介质材料,其可用作组装流程的一部分且有助于散热。热传介质材料 (TIM) 可能会导电,因为电绝缘 TIM 的热性能通常有所降低。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图 5. 用于 Wolfspeed WolfPACK 模块的热传介质


在比较无基板模块和传统高电流模块时,Wolfspeed WolfPACK 模块能够以更小的尺寸和更低的组装成本实现更高的功率密度。这是由于其将多个 SiC MOSFET 集成到单一小封装中,并减少了散热片和 PCB 之间的高度。因此,相较于分立器件或传统封装,其可支持更多紧凑型设计。Wolfspeed WolfPACK 模块能够并联连接,设计者可以创建可扩展至合适功率水平的系统,同时优化空间和成本。


图 6 对比了一个 62 mm 高电流模块和三个 Wolfspeed WolfPACK 模块的物理尺寸。可在相似大小空间内安装多个模块,无需浪费空间的大体积高电流模块。此外,借助 PressFIT 引脚和 PCB 进行电源布线,而无需使用笨重铜排。

新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模块

图 6. 一个 62 mm 高电流模块与三个 Wolfspeed WolfPACK 模块的物理尺寸对比


另外,Wolfspeed WolfPACK PCB 安装支持使用重叠平面以最大程度减小电感,从而实现快速开关。


小结

Wolfspeed WolfPACK SiC 功率无基板模块可让设计者对传统 Si 无基板模块进行可靠、快速的升级。此技术在中功率系统中表现出极佳的可扩展性,且有可能大大减小转换器尺寸并降低系统 BOM 成本,同时为设计者提供选择,填补分立元件和高载流量模块之间的空缺。


Wolfspeed 提供参考设计、热建模文件和学习材料,指导如何通过适当的热管理以及机械子系统集成充分使用无基板封装。这些材料可用来帮助优化电气设计、协助热建模以及在将 Wolfspeed WolfPACK 模块集成到各种应用方面提供指导。


关于英文原稿,敬请浏览:

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/enabling-system-upgrades-with-sic-technology-using-industry-standard-base-plate-less-packaging

来源:Cree | Wolfspeed


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