可再生能源應用以及各種能效技術需要可靠、緊湊和熱效率高的電源設備。為了推動風力渦輪機、智能電網、太陽能發電系統、太陽能光伏和電動汽車的創新，1需要具有高功率密度、高開關頻率以及能夠在極端溫度和電壓下運行的能力的設備。要求苛刻的電源應用帶來的挑戰不僅涉及設備本身，還涉及設備周圍的封裝。盡管硅長期以來一直主導著電源應用，但對提高效率和功率密度以及增強性能和降低成本的需求，已經促使電力電子領域向碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導體轉變。2盡管寬禁帶器件近年來已開始進入商業市場，但其功率器件封裝設計3尚未成熟，尤其是在高溫高壓應用方面。在本文中，將介紹為此目的而制造的 5kV 雙面冷卻 GaN 功率模塊（作為高級研究計劃署 - 能源部資助的研究的一部分）。在這里閱讀原文。

功率器件封裝設計

GaN 功率模塊的設計如圖 1 所示。它包括四個與封裝頂部和底部的鉬柱鍵合的 GaN 器件。柱子的外端用陶瓷物質氧化鋁 (Al 2 O 3 ) 鍵合到直接鍵合銅 (DBC) 基板上。盡管在此封裝設計中基板連接到 DBC 基板的外表面，但材料疊層也可以在 DBC 層終止。在某些情況下，具有基板是有利的，因為它允許在封裝內進行更多的熱量分布，從而提高熱管理解決方案的效率。

圖 1：GaN 功率模塊的設計

熱分析

熱模擬旨在確定在設計限制范圍內冷卻設備的最佳方法，并評估所提出的冷卻技術的有效性。有限元分析用于評估兩種冷卻技術，如圖 2 所示。熱交換器方法（圖 2，頂部）類似于傳統的冷板冷卻，在封裝的兩側都有熱交換器。對流傳熱系數用于表示熱交換器 (h)。

由于傳導路徑較長，5 kV 設計需要將端子物理分離，并且封裝填充有用于電絕緣的介電流體。因此，使用傳統方法（圖 2，頂部）從封裝中去除熱量變得更具挑戰性。另一種解決方案（圖 2，底部）試圖通過使用介電流體作為冷卻劑和長的電氣支架或柱作為散熱片，將這一缺點轉化為冷卻優勢，從而有效地將封裝轉變為熱交換器。

圖 2：冷卻解決方案 - 熱交換器（頂部）和油流通（底部）

對流傳熱系數的范圍從 10 W/m 2 K（代表空氣中的自然對流）到 100,000 W/m 2K，代表非常激進的單相液基換熱器或相變傳熱，用于評估和比較兩種冷卻方法。油流通設計比熱交換器設計表現更好。此外，對于在設備附近沒有水基冷卻劑的應用來說，這是一種很有前途的技術。然而，為了有效地工作，需要在柱子上增加額外的表面增強（如鰭片），這反過來又需要對電氣設計進行額外的設計和評估，以確保表面增強不會導致不需要的放電。還需要額外的設計工作來優化通過封裝的流體流動。

沿著通過器件中間的一條線繪制溫度曲線，以檢測封裝內的熱問題點（圖 3 中的點 1 到 2）。高溫梯度位置（圖中的水平線）表示高熱阻元件，而低溫梯度位置（垂直線）表示高導熱元件。DBC 基板和熱界面材料在封裝中具有最高的單位長度熱阻。

圖 3：整個封裝的溫度曲線

為了充分利用雙面冷卻，評估了三種替代設計：一個 DBC 上的所有設備以及在兩個 DBC 之間拆分設備的兩種版本。圖 4 顯示了 300 W/cm 2的目標熱通量，以及用于比較的基線（中間的設備）。如果封裝僅使用一個 DBC，則目標熱通量的換熱器性能要求將降低到 3,100 W/m 2 K，如果封裝在兩側都使用換熱器，則為2,200 W/m 2 K。將器件均勻分布在兩個 DBC 上所需的換熱器性能（內聯或對角線布局，如圖 4 所示）降低到 1,400 W/m 2 K。

圖 4：三種替代設計的比較

使用計算流體動力學對現成熱交換器的性能進行量化，發現熱交換器可以用于雙面冷卻布局，但不能用于單面冷卻布局或中心設備布局。

熱機械分析

熱機械模擬的目標是查看一些功率器件封裝設計的可靠性，特別是對角線、內聯和基線配置，如圖 4 所示。在熱循環負載條件下，應變能密度計算并比較了這些包裝設計中各種附件層中的值。將負載應用于從 –40°C 到 200°C 的熱循環，升溫速率為 5°C/分鐘，在兩個極端溫度下停留 10 分鐘，并獲得每個循環的應變能量密度數據在不同的附著層。

圖 5 顯示了基線、對角線和直列功率器件封裝設計中幾層的應變能量密度值。獲得的結果表明，post attach 最容易受到熱循環退化的影響，其次是 device attach 和 device post-attach。此外，在各種功率器件封裝設計配置中，附著層的熱機械性能沒有明顯差異。

圖 5：不同封裝配置的應變能密度

本研究的下一階段將是了解鉬柱的長度如何影響封裝的熱性能和可靠性，以及增加器件數量以提高額定電壓。

　　審核編輯：湯梓紅