SiC功率模块拆解分析

siC模块结构、封装工艺及关键材料分析

将下图所示角落的单管模块取下，进行开盖拆解。

功率模块单元

下图为开盖后的内部照片

共有两颗SiC MOSFET器件进行并联，芯片上表面为无引线连接，采用lead frame实现电气互联。基板双面敷铜，中间有绝缘层。因此单管模块与散热器之间可直接采用导电的烧结银进行互联，无需采用针对传统单管的导热绝缘垫片。

模块局部放大之后，可以更清楚地观察其芯片上下表面连接的结构和工艺状况，其连接结构牢固，未发现工艺异常。

• SiC芯片通过烧结银连接至Si3N4 AMB基板，烧结银具有更高的可靠性和导热，Si3N4 AMB基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (与Al2O3和AlN，BeO等陶瓷比较)，同时双面敷铜可以更厚，有利于散热；

• 芯片门极采用标准的铝线键合技术实现电气互联，为成熟标准的封装工艺；

• 在相应位置点高铅锡膏，通过回流设备对lead-frame进行焊接，引出该单管模块的电极，高铅焊料的可靠性同样非常高，虽然散热特性比烧结银差，但焊接位置均没有主要的散热路径，所以该工艺仍采用传统的高铅焊料；

• 对单管功率模块进行塑封，以实现模块的环境保护。后续还有切筋成型，端子电镀等，均为传统单管的标准封装工艺 

 

模块中关键材料尺寸

Material	composition	Dimension (mm)	Remark
芯片	SiC	~0.18x5x4.6 mm
Si3N4基板	Si3N4陶瓷	~0.3 mmx15x19.5 mm	厚度采用显微镜量测；水平尺寸用游标卡尺
	纯Cu	~0.7x 13.6x18.1 mm
Lead-frame	Cu	~0.3 mm thick	游标卡尺量测

    功率器件是inverter的核心部件，而inverter又是EV中驱动电机的核心系统。通过以上对Tesla Model 3的SiC功率模块单元和单管模块的拆解和分析，得以初窥Tesla的设计理念和开发思路。

在整车设计中，inverter, gearbox和motor采用三合一的集成架构，定义了inverter需要扁平化设计，对inverter的厚度方向的尺寸设计提出了明确要求，再采用传统的TO-247单管已无法满足设计要求。Tesla作为主机厂，开创性地与Tier2 的半导体厂家ST合作订制SiC单管模块，在尺寸上满足要求的前提下，进一步提升inverter的效率。目前，SiC器件成本虽然是Si器件的10倍左右的价格，但其对续航里程的提升(5%~10%)，以及用户用电效率的提高都显而易见。在模块内外部的机械、散热互联中，均使用价格不菲的烧结银技术，以提高inverter的可靠性和散热。电气连接采用激光焊接技术，以提高机械连接的强度和可靠性，但前期则需要投入高价的激光设备。同时，在其他不影响性能的辅助材料和结构设计上，则尽可能采用成熟低成本的解决方案(如Cu bus与塑料绝缘件的搭配组合实现功率模块单元在系统中的电气连接；模块内部仍采用Al wire bonding以及lead-frame材料)。

小结：我再说一下挂我名的事情，并不是每一位工程师都能署名或者写个笔名，这是去年早些时候和友人一起拆解零件时候做的分析，他写的一共分为三篇《Model 3 SiC功率模块单元拆解与分析 上》《Model 3 SiC功率模块单元拆解与分析 中》，如果有资深工程师在逆变器设计的岗位需求，也请联系我，我代这位友人看看机会。