用于高功率密度变频器的高频、高温、高可靠性碳化硅模块设计优化方法

As one of the next generation power electronics device materials, silicon carbide (SiC) is a potent alternative to state-of-the-art silicon technology in high frequency and high-temperature applications, especially for high power density converter. However, limited by high frequency and high temperature operation abilities, the silicon base module packaging can not be applied indiscriminately to SiC chips. Since the fundamental design theories and practical techniques are still inadequate, in this research, the designs and optimization of multi-chip SiC power modules with novel packaging technologies are focused. By developing a novel modeling method, the electrical, thermal and reliability performance can be analyzed and compared. With a novel analytic evaluation model, the voltage stress and current share unbalance during the transient can be evaluated and mitigated. Moreover, with an equivalent three dimensional thermal network model, the thermal performance of design candidates can be compared. To further meet the reliability requirement of large temperature excursion, the thermo-mechanical stresses at the important corners are investigated. With above models and evaluation methods, the power module layout can be optimized by a genetic algorithm based procedure. The proposed method can assure high frequency, high temperature capability and high reliability. It could be a major step to improve the overall performance of SiC modules.

碳化硅属于新一代半导体材料，采用碳化硅制造的芯片具有可高频、高温运行等优点，特别适合需要高功率密度的变频器应用。功率模块是芯片稳定运行的基础，但现有硅基模块不适合高频、高温运行，无法被直接套用。由于基础设计理论和实用技术尚不完备，本项目拟针对采用新型封装形式的多芯片碳化硅模块设计开展研究。建立功率模块设计的表征模型，以此为基础研究电气、散热及可靠性的高效评估方法。拟通过新型解析方法进行电气参数评估，减少器件开关瞬态的电压尖峰并充分考虑并联芯片的均流问题；利用等效三维热网络模型从散热角度高效评估设计；针对大温度梯度运行分析布局中重要端点处的热应力,评估模块的可靠性。基于以上模型和评估方法通过遗传算法进行优化，使多芯片碳化硅功率模块更适合高频运行、高温运行，能保持长期可靠性。

现阶段SiC器件单芯片载流能力较低（≤50A），大功率模块需要并联大量芯片（数量大于30），常规模块布局使用试凑伴随人工参与的半自动设计，其计算时间长、效率低，不能有效评估并联芯片的瞬态均流性、散热能力与热应力平衡状态，容易导致SiC芯片失效，亟需自动布局优化方法。.本课题首先建立模块物理布局和数字模型间的三维映射方案，充分表达元件间互连、几何尺寸的相互约束关系，便于计算机自动实现智能设计算法。之后建立可高效评估封装布局的多物理场评价架构，在保证计算精度的前提下，分别实现了电气、散热、热应力三个方面的快速计算。最后改进了课题开始前所使用的基于遗传算法的双层优化循环，提升了优化速度和收敛性问题，可在电、热、机方面进一步平衡优化设计，达到材料利用高效化。.三维映射方案方面，对于常规键合型封装和以平面型封装为代表的新型封装，建立统一的映射模型。该映射具有唯一性，不会在优化过程中产生大量重复设计或无效设计。相对于课题开始前使用的映射方案，该种映射对于大数量芯片（>30）模块，不会因芯片无法连接间接产生无效设计，能保证后续优化循环速度和收敛性。.在电气评估方面，本课题采用了有限差分法与电感等效折算方法，在评估杂散参数的过程中，首先分析各种封装形式中的导电回路，将各导电回路分为多组条状导体。结合边界元法和经典解析公式推导并化简得到导电端不对称分布的条状导体计算公式，达到快速计算的目的。在散热评估方面，本课题根据封装形式及相应散热方法，分析各部分的结构、几何形状、材料特性、散热途径，结合有限差分法建立三维热网络，解决了常规有限元法计算时间长的问题。在热应力评估方面，主要分析了高温、大温度梯度下模块最容易失效的部件，重点计算了铜基板图案重要端点处的热应力，开发了准确、快速的解析算法，解决了传统有限元方法计算慢的难题。

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