Model 3的SiC功率模块单元拆解与分析

2019-11-16来源: eefocus关键字:功率模块  散热器  SiC

模块单元组装工艺分析


Tesla 的功率模块单元在 inverter 的组装中,借鉴了功率模块封装工艺。图为功率模块单元侧视图。

 

功率模块单元侧视图

 


照片中显示模块底部的散热器上有前面提及的凸台,凸台表面镀银。模块和散热器凸台之间连接采用烧结银连接技术,可实现高可靠、高导热的连接。由于烧结银连接技术的主要材料成分是银,所以成本比传统焊料贵,其常规的连接厚度较薄,约为 25~100um,照片和肉眼都难以观察。该技术主要用于功率模块中芯片和基板的连接,很多 Tier 1 的控制器公司和 Tier2 的功率模块制造商,在汽车模块中均或多或少的采用该技术,如 Semikron, Infineon, Danfoss, continental 等。目前烧结银技术主要用于对可靠性和散热高要求的市场,如汽车,风电等。   
 

功率模块单元侧视图(示意图)
   

功率模块单元的水冷散热器结构

 

功率模块散热器结构 底部结构


pin-fin 高度约为 16mm,间距约为 1.5mm,采用外壳压铸的方式无法加工这种高而密的 pin-fin 结构。通过观察 inverter 外壳和散热器底部结构,发现散热器区域和 inverter 外壳之间存在缝隙,所以模块散热器和 inverter 外壳应由两个部件组合而成。从模块侧观察,在 inverter 外壳和散热器结构的连接位置,有搅拌摩擦焊接的留下的纹理和痕迹。

 

散热器和逆变器外壳连接 
   

在标准的 inverter 的组装中,以 Infineon 的 HybridPack 6-switches IGBT 模块为例,其模块内部已经实现了机械、散热、电气的连接。所以 inverter 对模块进行结构安装以及功率电气连接等,均采用标准的螺栓 / 螺丝连接工艺。而 Model 3 使用 SiC 单管模块,其机械、散热和电气连接均在 inverter 的组装中完成,并采用一些成熟却非传统的组装技术,有必要对其功率模块单元在 inverter 中的关键组装工艺做进一步分析

 

 

第一步:带 pin-fin 的散热器先嵌入 inverter 外壳中,沿连接缝一圈通过搅拌摩擦焊实现物理连接,该技术在业界非常成熟,由外壳供应商完成的可能性较大,散热器上的镀银凸台应预先处理;

 

 

第二步,在外壳上先组装塑料绝缘件 1,再在模块背面印刷烧结银材料,通过专业的压力烧结设备,一次性将 24 颗 SiC 单管模块进行烧结,专业设备烧结时间约 1~3min, 温度低于 250oC,压力为 5~20MPa。因此,塑料绝缘件 1 有短时耐高温的能力;

 

 

第三步,先组装薄膜电容,再采用激光焊接模块和电容的 DC+电极端子,以及上下管组成半桥的 AC 端子。在该工艺过程中,塑料绝缘件 1 的凸起设计,能够在激光焊接时,顶住需要焊接铜端子的部位,确保两个铜端子之间的紧密接触,以保证激光焊接品质,塑料绝缘件 1 的所有凸起均有该效果;

 

 

第四步,先将塑料绝缘件 2 和 3 组装至 DC-Cu bus 上,放置于模块上方并对其进行限位,确保 Cu bus 的两端分别置于模块和电容的 DC- 端子上,采用激光焊接对 DC- 端子进行连接;

 

 

第五步,将塑料绝缘件 4 组装至 AC Cu bus 上,并将一端放置于模块的 AC 端子上,另一端放置于 inverter AC 输出端子上,同样地采用激光焊接实现 AC 端子的电气和机械互连。在功率模块单元的组装中,采用压力烧结和激光焊接技术,虽然工艺设备投资大,但工艺可靠性高,适合进行自动化生产。 
   

功率模块单元及其相关零件的关键尺寸见下表,可做参考。值得注意的是,SiC 功率模块单元的水平尺寸和 Infineon 的 HybridPack Drive 的水平尺寸基本一致 (126.5x154.5 mm),传统意义上认为,SiC 和 Si 器件比,芯片面积更小,而且少了续流二极管,模块的尺寸应该做的更小。但实际 Tesla 采用的 SiC 模块单元与 IGBT 水平尺寸接近,说明 Model 3 inverter 的设计,并未追求更小 footprint 的 SiC 模块单元,而是根据 inverter 的布置需要,对其进行扁平化设计。 


表 功率模块单元的关键尺寸

 


关键字:功率模块  散热器  SiC 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qrs/ic480248.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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