本文首先創建了 SiC 雙面散熱功率模塊的有限元模型，并對網格劃分的結果進行了 收斂性分析，驗證了網格劃分的正確性。基于以上模型對封裝結構的傳熱性能進行穩態分析，通過對不同封裝材料的功率模塊進行瞬態分析得出模型應使用的較佳材料，最終研究了燒結銀焊層厚度對功率模塊結溫的影響，為 SiC 雙面散熱功率模塊的設計提供了參考。

近年來，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）器件為代表的第三代功率半導體技術在電動/混動汽車、新能源發電、5G 通信裝備以及航空航天等微系統封裝集成應用方面呈現 出巨大的潛在應用價值和前景。發展針對 SiC 器件工作特點的模塊封裝技術已經成為電 子封裝領域的重要研究課題和產業界的迫切需求。

由于各種材料的限制，硅基功率器件在許多方面已經達到其材料的理論極限，目前所存在的功率模塊封裝技術大部分都是 為硅基功率模塊設計，將其直接應用于 SiC 功率模塊，會出現使用頻率、散熱、可靠性等多方面帶來的新挑戰。本文從熱角度分析 SiC 技術設計方案的關鍵影響因素，這為發展針對 SiC 器件工作特點的高可靠互連封裝技術提供參考依據。

2.1 SiC 雙面散熱功率模塊模型假設和簡化

雙面散熱功率模塊的主要結構包括 SiC 芯片、二極管芯片、燒結銀焊層、DBC 基 板（包括上銅層、氮化鋁陶瓷層與下銅層）、陶瓷層及填充介電層，功率模塊實際示意 圖如圖 1 所示。對模型進行假設和簡化：功率模塊中的各層材料和結構均為各向同性的均勻層狀結構；忽略外殼模型的建立；仿真建模時只建立了包含單個 SiC 芯片和單個二極管的有限元模型；對芯片與二極管之間的鋁鍵合線等進行了省略，只對整個模型的 一半進行構建，對模型進行切分并賦予材料。 

圖1 雙面散熱功率模塊實際示意圖

2.2 SiC 雙面散熱功率模塊有限元模型的網格劃分與收斂性分析 

單元類型為 Thermal Solid 8node 70 單元。在芯片和燒結銀焊層位置適當的將網格單 元密度增大，其余位置適當降低網格密度。為了保證結果的準確性，需對模型的網格進 行相應的收斂性驗證。共使用了 8 種不同的網格尺寸進行加密，對有限元模塊穩態結溫進行對比，如圖 2 所示。當網格數量達到 30 萬時，有限元仿真得到的模塊結溫已經趨近于收斂。因此有限元仿真計算中模型的網格數量盡量保持在 30 萬以上。 

圖2 網格劃分收斂性分析

2.3 雙面散熱功率模塊的熱分析載荷及邊界條件 

仿真中 SiC 芯片發熱功率為 100W，使用體熱生成載荷施加在 SiC 芯片上，體熱 流密度為 21367mW/mm3。SiC 模塊上下兩底部與水冷之間進行強制換熱，其環境溫度 為 45℃，對流換熱系數設置為 3mW/(mm² ?K)，對稱面采取相對絕熱狀態，不設置對流 換熱，其余裸露在空氣中的模塊表面與空氣進行對流換熱，環境溫度設置為 25℃，其對 流換熱系數設置為 0.01mW/(mm² ?K)。添加載荷及邊界條件的有限元模型如圖 3 所示。 

圖 3 功率模塊載荷及邊界條件

通過對 SiC 雙面散熱功率模塊有限元仿真的穩態結果進行分析，得出穩態溫度為 155.933℃，仿真穩態結果如圖 4 所示。由圖中溫度分布可知，SiC 芯片一側的溫度大于 二極管一側的溫度，且呈軸對稱分布，這是由于模型載荷作用于 SiC 芯片上，且模型構 建時只建立了整體模型的一半。距離芯片越遠處，溫度越低。由穩態數據可以發現最高溫度節點的編號為 155891 號節點，瞬態仿真基于最高溫度的節點進行。

圖 4 雙面散熱功率模塊穩態結果

通過對二氧化硅與環氧樹脂分別作為填充層時的功率模塊進行有限元仿真，瞬態對比圖如圖 5 所示，由瞬態結果分析可知，環氧樹脂作為填充層比 SiO2 作為填充層升溫 速率快，但穩態結溫高 0.016℃，這是因為仿真時使用的環氧樹脂的熱導率比 SiO2 的熱導率低，熱導率越低，會使模塊穩態結溫越高。

圖 5 不同填充層瞬態分析對比圖

通過對不同焊料層的材料參數進行仿真，對比圖如圖 6 所示，由瞬態結果分析可知 燒結銀的傳熱能力比 SnPb、SnAg25Sb10、SAC305、Ag 這四種材料的傳熱能力更強，由分析可知，燒結銀材料較適合作為焊料層。 

圖 6 不同焊料層瞬態對比圖

通過對不同 DBC 基板陶瓷層的材料進行瞬態分析，對比圖如圖 7 所示，由瞬態分 析結果可知，氮化鋁作為材料比氧化鋁作為材料的模塊穩態結溫低了 10.339℃，使用氧 化鈹作為材料比氮化鋁作為材料的模塊穩態結溫低了 2.108℃，但氧化鈹在加工過程中 對人體有害。由分析可知，氮化鋁更適合作為 DBC 基板的陶瓷層材料。 

圖 7 不同陶瓷層瞬態對比圖

在 DBC 基板的陶瓷層使用氮化鋁，焊料層使用燒結銀，填充層使用環氧樹脂的模型中，更改燒結銀焊層的厚度，針對 5 種不同厚度的燒結銀有限元模型進行了穩態分析。不同燒結銀厚度對應的模塊穩態結溫對比如圖 8 所示，分析得到模塊的穩態結溫與燒結銀的厚度呈線性關系。

圖 8 不同燒結銀厚度的結溫對比

本文通過傳熱分析研究了雙面散熱有限元模型的穩態溫度場，得到了在特定載荷下 的模塊結溫為 155.933℃，通過對不同填充層、不同焊料層、不同陶瓷基板層進行穩態和瞬態分析，得出較佳的使用材料。在此基礎上，通過改變燒結銀的厚度對功率模塊進行穩態分析，得到雙面散熱功率模塊的穩態結溫與燒結銀的厚度呈線性關系。