Xiaoshuang Hui1,2; Puqi Ning1,2; Tao Fan1,2; Yuhui Kang1,2; Kai Wang1,2; Yunhui Mei3; Guangyin Lei4
1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
3. Tiangong University, Tianjin, China
4. Fudan University, Shanghai, China
X. Hui et al., "A Novel Multiple DBC-staked units Package to Parallel More Chips for SiC Power Module," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 1, pp. 72-79, March 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00010.
摘 要
碳化硅（SiC）功率模块在电动汽车驱动系统中起着至关重要的作用。为了提高功率模块的性能、减小体积、提高生产效率，本文提出了一种基于多桩直接键合铜(DBC)单元的功率模块封装方法，以并行更多的芯片。该方法利用互感对消效应来减小寄生电感。由于新封装中的导电面积增加了一倍，因此可以减小功率模块的整体面积。整个功率模块被分成更小的单元，以提高制造成品率，并提高设计自由度。本文对所提出的封装结构提供了详细的设计、分析和制作过程。此外，本文还提出了几种可行的电源终端与DBC Units的连接方案。采用这种结构，在一个Econodual尺寸的功率模块中，每个相腿并联18个模具。仿真和双脉冲测试结果表明，与传统的封装方式相比，该封装方式的寄生电感减小了74.8%，占地面积减小了34.9%。
Abstract
Silicon carbide (SiC) power modules play an essential role in the electric vehicle drive system. To improve their performance, reduce their size, and increase production efficiency, this paper proposes a multiple staked direct bonded copper (DBC) unit based power module packaging method to parallel more chips. This method utilizes mutual inductance cancellation effect to reduce parasitic inductance. Because the conduction area in the new package is doubled, the overall area of power module can be reduced. Entire power module is divided into smaller units to enhance manufacture yield, and improve design freedom. This paper provides a detailed design, analysis and fabrication procedure for the proposed package structure. Additionally, this paper offers several feasible solutions for the connection between power terminals and DBC untis. With the structure, 18 dies were paralleled for each phase-leg in a econodual size power module. Both simulation and double pulse test results demonstrate that, compared to conventional layouts, the proposed package method has 74.8% smaller parasitic inductance and 34.9% lower footprint.
作者信息
回晓双，男，中国科学院大学博士生。专注于高功率密度碳化硅电机控制器的多物理场建模与集成优化研究，2021年至今于中国科学院电工研究所高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部攻读博士学位，导师：宁圃奇研究员。
宁圃奇，男，博士生导师，中国科学院电工研究所研究员。2004年毕业于清华大学电机系获工学学士学位，2006年毕业于清华大学电机系获工学硕士学位，2010年获美国弗吉尼亚理工大学电气与计算机工程系工学博士学位。2010至2013年工作于美国橡树岭国家实验室，任副研究员。2013年加入中国科学院电工研究所，任研究员。主要从事高温碳化硅器件封装开发、高功率密度全碳化硅变频器研究、高效冷却等方面的工作。
范涛，男，博士生导师，中国科学院电工研究所研究员。2004年毕业于清华大学电机系获工学学士学位，2009毕业于中国科学院大学获工学博士学位。研究兴趣包括特种电机、大型发电和大功率电力推进系统的设计和分析。
康玉慧，女，硕士，中国科学院电工研究所工程师。专注于电力电子器件（IGBT、SiC）的设计及其模块封装技术研究。
王凯，男，博士，中国科学院电工研究所研究员。2012年在国家纳米科学中心获博士学位，2012至2014年于新加坡-麻省理工学院联合研究中心任博士后。2014年加入中国科学院电工研究所。研究兴趣包括新型储能器件与材料。
梅云辉，男，博士生导师，天津工业大学教授。2010年在天津大学获博士学位，2011年至2020年，工作于天津大学材料科学与工程学院。2020年加入天津工业大学。主要从事电子封装材料、工艺与可靠性研究。
雷光寅，男，博士，复旦大学研究员。2010年于美国弗吉尼亚理工大学获得博士学位。2010年至2018年，在美国福特汽车公司担任研发工程师。2020年加入复旦大学工程与应用技术研究院担任研究员。研究兴趣是功率半导体模块封装技术。
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《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。
