Cree 公司旗下 Wolfspeed 最近推出新型 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊。該系列模塊采用了碳化硅 (SiC) 器件以及業內熟知的功率模塊封裝結構。Wolfspeed 多年來一直致力于 SiC 材料和器件的研究和優化，這些模塊便是以此為基礎構建而成的。
這些模塊不僅帶來了載流量增加、低開關損耗等重大改進，還提供了諸多關鍵優勢，例如堅實耐用的壓接式引腳、彈簧式無基板模塊連接、與第二供應商兼容的尺寸、通過嵌入式 NTC 進行集成溫度檢測以及相較于其他行業標準模塊擁有更高的功率密度。全新 Wolfspeed WolfPACK 系列功率模塊填補了高電流模塊和分立式元件之間的空缺，提供了一種相較于分立元件并聯方案更加簡單、更加堅實耐用、更加靈活的選擇。
本文探討全新 Wolfspeed WolfPACK 系列 SiC 無基板功率模塊，并展示了這種多用途可擴展模塊設計如何支持對當前硅 (Si) 設計進行快速升級并加快其面市的速度。
SiC 技術的優勢
與行業傳統 Si 技術相比，SiC 器件導通損耗更低、開關轉換速度更快、工作溫度更高且更為穩固耐用。一般來說，這些性能優勢可轉化為更高的功率密度和更高的效率，而增強的可靠性還可降低系統在整個生命周期內的維護成本。
圖 1 展示了各種材料在多個擊穿電壓下的性能。在高母線電壓下，在考慮高開關頻率時 SiC 是首先的材料選擇。
SiC 功率無基板模塊
Wolfspeed WolfPACK 模塊將 SiC MOSFET 內置于可重新配置的封裝中，該封裝采用 PressFIT 無焊引腳連接外部 PCB（見圖 2）。這些引腳排列在網格中，并可根據內部模塊設計進行定位，支持多種 SiC 器件拓撲，例如半橋或六管集成。
圖 2. Wolfspeed WolfPACK 內置 PressFIT 引腳、PCB 安裝孔和散熱安裝片
此模塊使用金屬安裝片作為彈力接口。此設計使得壓力沿模塊底部均勻分布，從而確保與散熱片熱接觸。Wolfspeed 安裝指南建議使用兩顆螺栓固定散熱片，并使用四顆螺絲將外殼連接至 PCB。這些緊固件可在散熱片、模塊和 PCB 之間提供牢固、穩定的機械連接。
圖 3 展示了帶基板模塊和 Wolfspeed WolfPACK 模塊系列之間不同的熱疊層。無基板設計不僅能夠減輕模塊重量，還能夠減小封裝尺寸。視熱管理系統而定，無基板設計中的總熱阻 Rthih 通常更低。此外，陶瓷直接敷銅 (DBC) 基板可為散熱片提供優越的電氣隔離而熱阻較低，從而使得這些無基板模塊相較于帶隔離墊的分立式設計熱性能出色許多。反過來，這也使得這些模塊相比于同樣的分立封裝器件，能夠提供更好的載流量。并且，Wolfspeed WolfPACK 模塊結合了 SiC 技術的優勢，與基于 IGBT 的模塊相比，可顯著減小轉換器的尺寸。
圖 3. 帶基板和無基板疊層的比較
借助 Wolfspeed WolfPACK 設計系統
如上所述，Wolfspeed WolfPACK 功率模塊采用 PressFIT 引腳技術，這是一種成熟的連接方法，利用帶有弓形主體的引腳。引腳在插入有鍍層的 PCB 通孔時受到壓縮，這樣的壓縮可以提供高可靠性和出色的電/熱/機械特性，且無需進一步緊固、使用專用零件或焊接。
省去專用連接器或適配器還能縮短安裝時間，因為模塊可被正確定向并推合到位。此連接方式簡單而牢固，可減少系統維護，與此同時，模塊的單向性還可防止不正確的安裝。
此外，Wolfspeed WolfPACK 模塊可拆除，并可重復用于其他設計或配置。因此，這些模塊不僅可靠，而且用途廣泛，能夠用于各種原型設計。并且，PressFIT 連接的高可靠性讓工程師能夠制作出與最終產品非常相似的原型。開發階段數由此得以減少，工程師可以放心了解最終產品的性能。
探索 SiC 功率無基板模塊解決方案的優勢
Wolfspeed WolfPACK SiC 無基板功率模塊包含氧化鋁基片，可為 MOSFET 提供熱傳輸、電氣隔離和信號/功率路徑支持。圖 4 所示的是六管集成和半橋功率模塊的內部排列，這兩種模塊均集成用于溫度檢測的 NTC 元件。此外，行業標準的尺寸/引腳分配，支持多種替代料且易于將現有系統升級至 SiC。
圖 4. 六管集成模塊（左）和半橋模塊（右）的內部排列
Wolfspeed WolfPACK 模塊不需要散熱片電氣隔離（因為已通過鋁基片實現隔離），由此可降低半導體器件與熱管理系統之間的熱阻。圖 5 所示的是一種使用模板/網篩涂敷熱傳介質材料，其可用作組裝流程的一部分且有助于散熱。熱傳介質材料 (TIM) 可能會導電，因為電絕緣 TIM 的熱性能通常有所降低。
圖 5. 用于 Wolfspeed WolfPACK 模塊的熱傳介質
在比較無基板模塊和傳統高電流模塊時，Wolfspeed WolfPACK 模塊能夠以更小的尺寸和更低的組裝成本實現更高的功率密度。這是由于其將多個 SiC MOSFET 集成到單一小封裝中，并減少了散熱片和 PCB 之間的高度。因此，相較于分立器件或傳統封裝，其可支持更多緊湊型設計。Wolfspeed WolfPACK 模塊能夠并聯連接，設計者可以創建可擴展至合適功率水平的系統，同時優化空間和成本。
圖 6 對比了一個 62 mm 高電流模塊和三個 Wolfspeed WolfPACK 模塊的物理尺寸。可在相似大小空間內安裝多個模塊，無需浪費空間的大體積高電流模塊。此外，借助 PressFIT 引腳和 PCB 進行電源布線，而無需使用笨重銅排。
圖 6. 一個 62 mm 高電流模塊與三個 Wolfspeed WolfPACK 模塊的物理尺寸對比
另外，Wolfspeed WolfPACK PCB 安裝支持使用重疊平面以最大程度減小電感，從而實現快速開關。
小結
Wolfspeed WolfPACK SiC 功率無基板模塊可讓設計者對傳統 Si 無基板模塊進行可靠、快速的升級。此技術在中功率系統中表現出極佳的可擴展性，且有可能大大減小轉換器尺寸并降低系統 BOM 成本，同時為設計者提供選擇，填補分立元件和高載流量模塊之間的空缺。
Wolfspeed 提供參考設計、熱建模文件和學習材料，指導如何通過適當的熱管理以及機械子系統集成充分使用無基板封裝。這些材料可用來幫助優化電氣設計、協助熱建模以及在將 Wolfspeed WolfPACK 模塊集成到各種應用方面提供指導。
