碳化硅功率器件凭借其低导通电阻、高阻断电压和快速开关能力，在电力电子领域表现出色。然而，基于碳化硅的电力电子模块和转换器面临着一个重大挑战：运行过程中的热机械应力。
传统的封装方法，尤其是基于引线键合的互连，会引入显著的寄生电感和电阻损耗，从而限制器件的性能。此外，所用各种材料之间的热膨胀系数 (CTE) 不匹配，再加上碳化硅的高杨氏模量，会导致强大的热机械应力，从而存在开裂、分层和过早失效的风险。
为了克服这些限制，我们开发了一种新方法，将基于液态金属 (LM) 的 SiC 封装设计集成到半桥功率模块中，并结合了集成栅极驱动器和水。
LM包装的创新
封装创新，例如在器件顶部焊接铜夹，增强了新一代电动汽车功率模块的载流能力，降低了寄生电感并改善了散热性能。双面冷却模块在汽车应用中也越来越受欢迎，它通过额外的热流路径提高了热性能。
此外，PCB/直接敷铜 (DBC) 混合模块结合了两者的优势，使用PCB进行电气集成，并使用 DBC 进行散热，从而实现低电感和低热阻。虽然这些改进优化了热性能和电气性能，但热机械应力仍然是一个关键问题。
所提设计的创新之处在于其基于LM的封装，该封装具有浮动芯片结构和LM流体连接。这种配置（图1）可分离热应变，从而显著降低热应力并最大程度地减少运行过程中的翘曲。
由于其流体特性，LM 可充当不同材料之间的接口，在保持热连接和电连接的同时，还能适应热膨胀失配。这种设计增强了模块的可靠性，改善了热管理，并延长了模块的使用寿命。
半桥 LM 模块原型的实验验证已证实，这种基于 LM 的 SiC 封装在各种工作条件下都能保持电气性能，使其适用于下一代电力电子应用。
基于LM的半桥模块内部
建议的设计将两个基于LM的SiC封装集成到一个半桥模块中，该模块带有栅极驱动器和液冷铜散热器。之所以选择铜而不是铝，是因为LM技术提高了铜的导热性和耐腐蚀性。
每个 SiC MOSFET 芯片（意法半导体的 SCT116N120G3DXAG，1,200 V/130 A）嵌入在 AMB 基板上蚀刻的空腔中，并浮在一层 LM 上。环氧树脂/硅胶绝缘环确保 LM 不会使芯片短路。
顶部连接通过柔性印刷电路板 (FPCB) 实现，该印刷电路板以聚酰亚胺为核心介电材料。其较低的杨氏模量使其能够在热循环过程中吸收机械应变，而较高的介电强度则确保了电气可靠性。
应力分析：液态金属与焊接封装
为了评估基于LM的封装相对于传统焊接模块的优势，我们采用了热机耦合有限元分析。仿真重点关注SiC封装与主电源PCB之间的热应力，每个器件的功耗为100 W。
结果表明，基于LM的封装表现出显著更低的热应力。这种降低归因于LM层能够将热应变与AMB基板分离，并充当一个界面，减轻了应变向PCB的传递。这种分离效应对可靠性和耐用性具有重要意义，可降低主PCB的热疲劳和材料降解风险。
LM封装的另一个优势是大幅减少运行过程中的翘曲。翘曲是由CTE不匹配引起的问题，会导致机械应力，并可能导致传统焊接模块的电气和热性能下降。
LM 层的解耦效应可有效控制热膨胀，从而显著减少翘曲，延长整个转换器组件的使用寿命。更低的热应力和最小化的翘曲确保了组件即使在恶劣的工作条件下也能保持良好的机械和热完整性。
半桥功率堆栈的物理组装紧凑且模块化。栅极驱动器PCB堆叠在主功率PCB上方，并通过FPCB上的开尔文栅极扩展互连。基于LM的SiC封装采用扭矩控制螺钉机械夹紧在主PCB和散热器之间，确保恒定的压力，从而实现良好的热性能和电气性能。快速连接配件简化了水冷系统的集成，使该设计适用于汽车和工业应用。
实验验证和测试
为了评估基于 LM 的设计的电气性能，进行了双脉冲测试 (DPT) 和使用同步降压转换器的连续测试。
DPT 采用 750 V 直流母线和 36 µH 空芯电感进行。测试证实了该模块的高速开关能力，开启期间电压和电流的压摆率分别为 40 V/ns 和 15 A/ns。
由于通过 FPCB 中的最小栅极环路实现了低寄生电感，因此关断瞬态也得到了控制，电压转换率为 25 V/ns，过冲限制在 18 V 以下。
在100 kHz和400 V输入电压下持续工作时，LM模块表现出稳定的性能，峰值电感电流约为10 A。即使在40 kHz的较低开关频率和25 A的较高电流下，尽管电感开始接近饱和，系统仍保持可靠的性能，过冲和振铃极小。尽管如此，LM封装仍能确保系统在高热应力和高电流应力下的稳定性。
将基于LM的封装系统集成到SiC半桥功率模块中，为电力电子领域长期存在的挑战提供了一种创新的解决方案。通过有效地解耦热应变，同时保持卓越的电气和热性能，该方法解决了可靠性问题，且不会牺牲效率或设计复杂性。
基于 LM 的模块可以承受高温和大电流，因此适合在电动汽车和工业转换器等苛刻的环境中使用。
研究案例
去年，剑桥大学研究人员发表了一篇题为“液态金属流体连接和浮动模具结构用于碳化硅电力电子封装超低热机械应力”的新技术论文，我们来回顾一下。
“封装结构层中各种材料的热膨胀系数 (CTE) 差异很大，导致电力电子封装在运行过程中产生显著的热机械应力。对于无引线键合 SiC 模块，由于结构的刚性和 SiC 晶体的高杨氏模量，应力甚至更大。
本文以柔性印刷电路板 (FPCB)/芯片/有源金属钎焊 (AMB) 封装堆栈为例，证明了通过液态金属 (LM) 流体连接实现浮动芯片结构的可行性。
芯片、印刷电路板和 AMB 基板之间的 CTE 不匹配被 LM 层解耦，而不会影响热传导和电传导。有限元分析表明，与传统的刚性焊料连接相比，器件的 von Mises 应力降低了 56%，FPCB-AMB 界面处的剪切应力降低了 99% 以上。
测试结果表明，与焊接封装相比，基于 LM 的封装具有相似的热传导和电传导以及更高的击穿电压。加速热循环老化测试验证了绝缘环对于基于LM的封装的稳定性，特别是在高温条件下。验证了使用LM流体互连作为SiC封装浮动芯片结构的可行性。”
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