赛米控 eMPACK平台模块解析？
前 言
大家好，前段时间赛米控与某德国领先的汽车制造商签订了一份十多亿欧元（约合人民币70亿）的车规级碳化硅功率模块合同。该汽车制造商从本代产品升级到下一代的电动车控制器平台将全面采用赛米控最新的eMPack®系列车规级碳化硅功率模块。该系列产品集结了众多赛米控多年积累的“黑科技”，如：双面烧结技术“Double Sided Sintering, DSS”、芯片直接压接技术“Direct Pressed Die, DPD”等等。综合上述技术优势可以将模块的杂散电感降低至2.5nH，并大幅延长使用寿命至传统模块的十倍以上，预计2025年实现量产。
eMPack属于平台级产品，适用于400V/800V电驱系统的应用，最大输出750kW，基于该平台，塞米控可以依据客户的需求进行定制：比如模块芯片可以选择IGBT或SiC MOSFET，散热器可以选择PinFin或传统的铝冷却器。
有小伙伴在老耿的技术交流群里聊到过这个模块，但是也仅限于提到这个模块很厉害，很多细节却不知道。主要是因为塞米控没有披露太多关于eMPACK的技术信息（手册也没有），可能和汽车制造商签了保密协议。为了满足大家的好奇心，老耿发挥了自己善于找资料的优势，查阅了一些论文和网络资源，在这里和大家分享出来，希望能对大家有所帮助。。。
双面烧结技术
首先让我们先看一下什么是烧结技术？烧结是一种零件加工技术，通过硬化金属粉末，在低于金属熔化温度下进行烘烤，使“零件成型“的一种技术，这种工艺称为粉末冶金，硬化成型零件称为“烧结金属“或“烧结产品“。烧结本质上是一个固态的扩散过程，是一个在固体颗粒的熔点以下，分散的颗粒变成完全互连的整体的过程。在这个过程中，烧结材料可以与界面上部和下部的基材表面形成结合，最终形成一个良好的连接。
目前功率半导体封装中常说的低温银烧结就是用很细的银粉做焊剂，在250℃和高压作用下烧结成成极低孔隙率的银层，由于银高达962°C的熔点，所以也叫低温烧结，功率半导体芯片与DBC基板的烧结过程如下：
银粉烧结前后真实的微观图片如下：
关于银烧结工艺的优势网络资源很多，大家可以进一步去查阅，老耿就不细说了。那什么又是双面银烧结呢？双面烧结区别于单面，单面烧结即芯片背面（bottom）和DBC基板的上铜层连接采用烧结技术（区别于传统锡焊），芯片正面仍然采用我们熟知的键合线技术进行连接。双面烧结技术即芯片的正面也采用银烧结技术，将金属导体烧结到芯片正面（TOP）代替键合线。
当然，eMPACK并没采用如上图所示的银带烧结方式，而是采用了一种柔性电路板技术，实现芯片互联（后面第4节会有介绍），柔性电路板（区别与传统的FR4刚性电路板）在其它行业应用很多了，以质量轻、厚度薄、可自由弯曲折叠等优良特性而备受青睐。
在查找资料的时候，老耿还发现了塞米控提到了柔性DBC，如下图，但是老耿总感觉不太可靠，应该是塞米控的技术实力展示，并没有用在eMAPCK上，清楚的小伙伴也可以告诉老耿。。。
事实上双面烧结技术对于eMPACK并不是一项新技术，早在2011年塞米控就在SKiN模块上实现了该方案，详细可以去参考2011年塞米控在PCIM的一篇论文“SKiN：Double side sintering technology for new packages”。
相关测试结果表明，相对于传统焊接工艺，采用单面银烧结技术的模块寿命提高5～10倍，模块芯片正面的键合线成为最薄弱环节。采用双面银烧结技术的模块寿命提高10倍以上，DCB基板铜层与陶瓷层之间的连接是最薄弱环节(后面提到的DPD技术可以进一步优化此问题)。为了进一步提高器件功率循环能力和寿命，还可以省略底板，将DBC直接烧结到散热片上，与传统界面材料如导热硅脂或导热箔片相比，银烧结层连接使基板到散热器的热阻大为减少，如下图所示。
芯片直接压接技术
作为双面烧结技术（DSS）的延续和发展，赛米控于2016年又推出了芯片直接压接技术（DPD）。除了用DSS技术将芯片烧结到DBC和柔性层之外，DPD技术还使用了一个压力元件，该元件直接在芯片顶部施加压力。这就优化了热连接最需要加强的地方：芯片正下方。
让我们先来看看DPD技术起源，2018塞米控在PCIM上发表的一篇论文“Enhanced Module design with DPD Technology”，里面提到25 多年前，赛米控就推出了 SKiiP 压力接触技术，该技术消除了DBC与铜基板焊接疲劳问题，传统模块和采用SKiip压力压力接触技术模块区别如下：
由于DBC并不是完全刚性的，对于常规的标准模块，当模块四角上螺丝固定在散热上时，由于DBC和基板会存在一定的弯曲（这也是为什么对于大功率模块要采用多个DBC的原因，不然DBC有可能会存在断裂情况），因此在固定到散热上时导热硅脂要有一定的厚度，不然有的地方可能热接触不好。
常规模块一方面增加了DBC与铜基板的焊料疲劳问题，另外也增加了芯片至散热器的热阻。而采用Skiip压力接触技术，在芯片之外的DBC区域均匀施加压力，这样就可以使用更大面积的DBC，而且可以消除铜基板，直接将DBC采用导热硅脂压接在散热器上。由于没有大面积的焊接，这就避免了因为温度变化在不同物质产生不同的张力影响，塞米控称之为“No baseplate”技术。
看到这里大家应该明白Skiip模块芯片互联采用了键合线技术，因此这时键合线与芯片的焊点成为了模块的薄弱点，因此塞米控又采用了柔性电路板烧结在半导体芯片的正面，解决了键合线疲劳问题。eMPACK模块采用双面DSS技术解决了上述问题，那为什么又采用芯片直接压接技术技术，而且还要在芯片正下方呢？前面第2节也提到过，采用双面银烧结技术的模块寿命提高10倍以上，基板铜层与陶瓷层之间的连接是最薄弱环节。由于半导体芯片是发热源，其热膨胀系数较小（Coefficient of Thermal Expansion, CTE约 3 ppm/K），而DBC陶瓷基板的热膨胀系数较大（Al2O3：约 7 ppm/K），当芯片烧结到DBC的上铜层时，由于芯片与DBC热膨胀系数不同，工作时可能会形成微小空腔，进而影响了芯片至DBC的热阻。如果采用压力元件直接在芯片上方施加压力，就能够大大减小由于芯片热冲击导致的的空洞。
基于DPD的功率模块可以灵活地安装在自然冷却或强制冷却的散热器以及水冷散热器上。极薄的导热硅脂带来了极好的导热性能，实现系统超高功率密度。DPD技术还可以用于标准的带基板或无基板封装中，以及高性能功率模块中，由于灵活和非刚性连接，机械应力最小，因此，热循环和功率循环能力达到新的高度。
3D超低杂感技术
eMPACK采用了两层柔性电路板，实现正负母线与芯片之间的互连，如下图所示，基本原理也是利用了叠层母线技术（Overlapping），采用柔性电路板和叠层后模块内部的杂感可以控制在1nH左右，如果再加上外部端子可以保证模块总的杂感在2.5nH。
在这里有必要对柔性电路板进一步说明，对于早期的Skin功率模块来讲，只有一层柔性电路板，这个柔性电路板又分为有 3 层，分别为：传导大电流的底部铜层（烧结到芯片上层），中间隔离层和用于控制信号的顶层，上面可以放置额外的 SMD，例如温度传感器。
而eMPACK采用了两层柔性电路板，这应该又是一次技术进步，模块外部连接如下图所示：
塞米控称这种连接方式为3D封装，主要为了区别于传统2D模块，传统的模块正负母线（功率端子除外）均被刻蚀在DBC的上铜层，两者属于同一个平面，因此杂感相对较大，详细对比如下：
为了将模块的性能发挥到极致，外部的母线电容也要将电感降低到最小，也要保证正负母线连接也采叠层技术，如下图所示：
可焊接端子技术
eMpack并不是所有的连接点都采用了银烧结，对外的功率端子采用的是激光焊接技术，如下图：
另外，2021年塞米控在PCIM的一篇论文“Low stray inductance automotive power module using SiC Chipsand welded power terminals ”，里面还提到对外功率端子与电容的连接也可以采用激光焊接，与传统螺纹端子相比，焊接连接将提供非常低的接触电阻， 5mm^2的焊接面积电阻＜4uΩ，损耗 。
看到这里大家对这个模块应该有所了解了，最后再总结一下eMpack涉及到的黑科技：双面烧结技术“Double Sided Sintering”、芯片直接压接技术“Direct Pressed Die”、可焊接端子技术“weldable terminals”、柔性电路叠层技术（flexifoil overlapping）等等。那集以上众多黑科技于一体的逆变器平台可以做到多小呢？下图为2021年赛米控在PCIM展会上赛米控展出的基于eMpack逆变器模块平台，可实现500kW仅6升的体积,可见功率密度非常高。
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