汽車塊概述

隨著碳達(dá)峰，碳中和的提出，新能源相關(guān)的產(chǎn)業(yè)可以說(shuō)是得到了飛速的發(fā)展，包括風(fēng)光儲(chǔ)以及馬路上每天看得見(jiàn)的新能源汽車。而功率半導(dǎo)體作為電力電子變換的核心器件也借著這股“東風(fēng)”得到了飛速發(fā)展，其中感觸最大的應(yīng)該是國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體的“崛起”。可能還未達(dá)到百家爭(zhēng)鳴盛況，但也能謂之百舸爭(zhēng)流了，在逐流中慢慢將國(guó)產(chǎn)化推向高潮。

相對(duì)于風(fēng)光儲(chǔ)工業(yè)塊盛行的應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車（對(duì)功率半導(dǎo)體的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)那么“苛刻”）允許功率塊可以是更多的封裝形式，更多的奇思妙想，這導(dǎo)致了汽車塊相對(duì)較豐富，也相對(duì)更有趣。當(dāng)然，風(fēng)光儲(chǔ)也同樣充滿樂(lè)趣（主要接觸的領(lǐng)域），只不過(guò)圍墻內(nèi)（工業(yè)）外（汽車）都想著去看看。

寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展，給傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體帶來(lái)了掙脫束縛的機(jī)會(huì)，也給不同的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了不斷發(fā)展的空間，但也對(duì)傳統(tǒng)封裝等提出了更高的要求。

寬禁帶半導(dǎo)體SiC的特性和優(yōu)勢(shì)我們這里就不在贅述了，相比于傳統(tǒng)硅基封裝，想要更好地發(fā)揮SiC的性能，那就不得不做出改進(jìn)。

下面引用來(lái)自YOLE的幾張圖片來(lái)闡述下，

在Si塊中，不匹配的CTE（熱膨脹系數(shù)）使各層相互分離。隨著碳化硅的引入，這一問(wèn)題更加突出；事實(shí)上，碳化硅的主要問(wèn)題是材料密度的散熱；因此需要一個(gè)適應(yīng)的封裝和系統(tǒng)集成。

①塑料外殼和封裝：更好的導(dǎo)熱系數(shù)

塑料外殼，注塑封裝等；硅凝膠，環(huán)氧樹脂。

②芯片粘接：提高熱可靠性和壽命

焊接，銀漿或薄膜燒結(jié)等。

③基板附著：抑制層以提高可靠性和降低厚度

平底板，銷鰭底板等。

④互連：更好的壽命和減低電感

鋁線綁定，帶狀綁定，銅引線框架等。

⑤基板：更好的導(dǎo)熱系數(shù)

帶DBC的雙面水冷，集成基板等。

汽車塊的散熱基本都是采用水冷，而水冷方式發(fā)展大方向便是單面和雙面水冷。

從PCIM展中眾多展臺(tái)中，我們最為常見(jiàn)的便是英飛凌的HybridPACK系列，賽米控丹佛斯DCM系列以及Tesla最早使用的T-PAK封裝。

高功率密度和高可靠性可以涵蓋對(duì)汽車塊的所有考量。

接下來(lái)的幾天（也可能是久一點(diǎn)，比較我日常消失好久），我們一起來(lái)聊聊市面上這常見(jiàn)的三款車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體那些事兒~

今天我們一起來(lái)聊聊賽米控丹佛斯的DCM系列，為什么不是英飛凌的HybridPACK呢？“自家兄弟”不得放第一位嘛！

DCM系列

賽米控丹佛斯直接冷卻注塑(DCM, Direct Cooled Molded)半橋塊平臺(tái)是為了滿足嚴(yán)苛的汽車牽引逆變器而開(kāi)發(fā)的。從硅基的DCM1000到經(jīng)過(guò)優(yōu)化而充分釋放最新碳化硅性能的DCM1000X，以及最新的DCM500，采用了較為先進(jìn)的封裝技術(shù)，如DBB(Danfoss Bond Buffer)技術(shù)，SP3D(ShowerPower 3D)，以應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的冷卻和熱機(jī)械挑戰(zhàn)。同時(shí)采用三直流端子設(shè)計(jì)，對(duì)稱的內(nèi)部布局優(yōu)化，盡可能地減少回路雜散電感，確保塊內(nèi)部的均流。

DCM1000平臺(tái)的設(shè)計(jì)能夠容納1000mm2的半導(dǎo)體區(qū)域，目前電壓等級(jí)可擴(kuò)展至900V，DCM1000X系列，可擴(kuò)展至1200V。

今天以最新的660A/1200V DCM1000X為例，來(lái)看看其中包含了哪些較為先進(jìn)的技術(shù)。

先進(jìn)的封裝技術(shù)

轉(zhuǎn)移成型技術(shù)

DCM1000X采用了特殊的轉(zhuǎn)移成型封裝材料，具有優(yōu)越的機(jī)械堅(jiān)固性和高溫定性。塊密封性好，抗?jié)窨拐瘢词乖跈C(jī)械沖擊和潮濕的環(huán)境下也能夠提供可靠的性能。

DBB技術(shù)

DCM系列采用了丹佛斯專利的DBB技術(shù)，以達(dá)到優(yōu)異的功率（PC）循環(huán)能力。DBB概念是基于銅綁定和芯片燒結(jié)，取代了傳統(tǒng)的鋁綁定和芯片焊接。如下圖，

在半導(dǎo)體的頂部金屬化反應(yīng)上燒結(jié)了一層薄薄的銅箔，在上面可以連接銅線，甚至銅帶。銅互連比鋁互連具有明顯更高的魯棒性，但也需要更高的粘合力。因此，銅鍵緩沖層吸收成鍵能，保護(hù)芯片免受損壞。在鍵合緩沖層的下面，半導(dǎo)體芯片本身也被燒結(jié)在絕緣基板的銅表面上。粘結(jié)緩沖層和芯片的燒結(jié)都在單個(gè)工藝步驟中完成。

DBB為半導(dǎo)體芯片提供了電和熱兩方面的好處。銅線的歐姆損耗低于鋁線；銅箔由于其大面積，增加了進(jìn)入芯片的垂直電流，并提供了芯片內(nèi)更均勻的電流密度分布。另一方面，由于銅箔和導(dǎo)線的額外熱容，具的瞬態(tài)熱阻Zth可以降低，而靜態(tài)熱阻Rth不受影響，因?yàn)殒I合緩沖層不在主熱路徑中。

得益于DBB技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的功率循環(huán)能力，下圖是傳統(tǒng)塊和采用DBB技術(shù)塊在不同結(jié)溫波動(dòng)ΔT下的PCsec測(cè)試（即ton＜5s）。

根據(jù)AQG-324，PCsec測(cè)試的失效標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)備正向電壓降增加5%，或Rth增加20%，這代表了粘結(jié)線剝離和/或焊料層裂紋作為典型的失效機(jī)制。比較ΔT = 100 K下的PC周期數(shù)，DBB塊可以觀察到大約15倍的長(zhǎng)壽命。

SP3D技術(shù)

Showerpower最初的設(shè)計(jì)是應(yīng)用于平板塊的液冷，如工業(yè)的PP3。

我們可以在DCM1000X的塊背面看到水道，由多個(gè)蜿蜒通道直接與底板集成，當(dāng)這些通道從塊的一端移動(dòng)到另一端時(shí)，這些通道迫使冷卻液流動(dòng)反復(fù)改變方向。

當(dāng)冷卻劑流發(fā)生u型轉(zhuǎn)彎時(shí)，它也會(huì)繞著運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)，由于這種渦流效應(yīng)，冷卻劑不斷地與底板表面接觸，有效地降低了熱阻。假設(shè)每個(gè)塊的冷卻液流量為3.33l/minW，則可低至0.074 K/W。

除了優(yōu)越的冷卻性能外，SP3D還可以在塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冷卻，以及在逆變器設(shè)置中并排放置的三個(gè)塊之間實(shí)現(xiàn)并行冷卻。

并聯(lián)冷卻原理使塊之間的溫度梯度最小化，這通常與串聯(lián)冷卻有關(guān)，如針鰭冷卻器。此外，與銷鰭片相比，SP3D的通道壁也給塊帶來(lái)了相當(dāng)多的機(jī)械剛度，允許冷卻系統(tǒng)中的高壓脈沖。

水道番外篇

由于DBB屬于danfoss的專利，所以在我們見(jiàn)到的其他半導(dǎo)體廠家DCM封裝的汽車塊時(shí)，我們可以看到除了背面的水道（基本都是pin-fin結(jié)構(gòu)）不同，其他基本都是差不多的。

話又說(shuō)回來(lái)，熱管理的設(shè)計(jì)又可謂是一個(gè)博大精深的領(lǐng)域，就pin-fin而，就有太多的因素了，如pin fin的長(zhǎng)度，間距，形狀。下圖是pin fin的形狀示意圖，

主打的還是一個(gè)散熱性能的優(yōu)劣，以及成本高低的權(quán)衡。2022年歐洲PCIM上丹佛斯硅動(dòng)力有篇論文就闡述了SP3D和pin fin的對(duì)比，

可見(jiàn)，專利加持的SP3D性能很優(yōu)秀，而靈活多變的pin fin允許了更多廠家塊的出現(xiàn)。

說(shuō)到這里，我想說(shuō)一句，沒(méi)有絕對(duì)的好，只有相對(duì)的合適！

優(yōu)異的電氣性能

DCM1000X的660A/1200V總共包含16個(gè)碳化硅MOSFET芯片（每個(gè)開(kāi)關(guān)8個(gè)芯片），沒(méi)有額外的碳化硅肖特基二極管。下圖是該塊的電源端子和信號(hào)引腳示意圖，

在塊的頂部，有三個(gè)直流端子，在底部，可以找到交流端子以及所有的信號(hào)引腳，包括門驅(qū)動(dòng)和溫度傳感引腳。如圖中紅色曲線所示，三dc端設(shè)計(jì)將功率換向回路分為兩個(gè)對(duì)稱部分，從而將有效回路電感降低了2倍。結(jié)合這一點(diǎn)，加上優(yōu)化的內(nèi)部布局設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低至6.5 nH的塊雜散電感。

在相應(yīng)的逆變器工況下給到了一些性能評(píng)估，

下圖是在10kHz開(kāi)關(guān)頻率下，逆變器輸出電流和平均結(jié)溫的計(jì)算關(guān)系曲線

以及平均結(jié)溫175℃下，電流能力和開(kāi)關(guān)頻率的計(jì)算關(guān)系曲線

同時(shí)賽米控丹佛斯也給出了相應(yīng)的測(cè)試套件（DCM1000X Application Kit）,

這一點(diǎn)給客戶前期的塊評(píng)估提供了很大的便利。

小結(jié)

丹佛斯DCM系列獨(dú)有的SP3D水冷散熱設(shè)計(jì)著實(shí)令人稱贊，但龐大的新能源汽車市場(chǎng)容量需要更多的廠家進(jìn)入，這使得在如今的市面上

能夠看到很多DCM系列封裝的塊，只要能夠滿足相應(yīng)的要求，肯定能夠占據(jù)一席之地。

賽米控和丹佛斯合并之后，除了丹佛斯的DCM系列，賽米控也有一款別具特色的汽車塊Empack,也許在不久的將來(lái)也會(huì)出現(xiàn)其他的"Empack",誰(shuí)知道呢。

審核編輯：劉清