本文首先创建了 SiC 双面散热功率模块的有限元模型，并对网格划分的结果进行了 收敛性分析，验证了网格划分的正确性。基于以上模型对封装结构的传热性能进行稳态分析，通过对不同封装材料的功率模块进行瞬态分析得出模型应使用的较佳材料，最终研究了烧结银焊层厚度对功率模块结温的影响，为 SiC 双面散热功率模块的设计提供了参考。

近年来，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）器件为代表的第三代功率半导体技术在电动/混动汽车、新能源发电、5G 通信装备以及航空航天等微系统封装集成应用方面呈现 出巨大的潜在应用价值和前景。发展针对 SiC 器件工作特点的模块封装技术已经成为电 子封装领域的重要研究课题和产业界的迫切需求。

由于各种材料的限制，硅基功率器件在许多方面已经达到其材料的理论极限，目前所存在的功率模块封装技术大部分都是 为硅基功率模块设计，将其直接应用于 SiC 功率模块，会出现使用频率、散热、可靠性等多方面带来的新挑战。本文从热角度分析 SiC 技术设计方案的关键影响因素，这为发展针对 SiC 器件工作特点的高可靠互连封装技术提供参考依据。

2.1 SiC 双面散热功率模块模型假设和简化

双面散热功率模块的主要结构包括 SiC 芯片、二极管芯片、烧结银焊层、DBC 基 板（包括上铜层、氮化铝陶瓷层与下铜层）、陶瓷层及填充介电层，功率模块实际示意 图如图 1 所示。对模型进行假设和简化：功率模块中的各层材料和结构均为各向同性的均匀层状结构；忽略外壳模型的建立；仿真建模时只建立了包含单个 SiC 芯片和单个二极管的有限元模型；对芯片与二极管之间的铝键合线等进行了省略，只对整个模型的 一半进行构建，对模型进行切分并赋予材料。 

图1 双面散热功率模块实际示意图

2.2 SiC 双面散热功率模块有限元模型的网格划分与收敛性分析 

单元类型为 Thermal Solid 8node 70 单元。在芯片和烧结银焊层位置适当的将网格单 元密度增大，其余位置适当降低网格密度。为了保证结果的准确性，需对模型的网格进 行相应的收敛性验证。共使用了 8 种不同的网格尺寸进行加密，对有限元模块稳态结温进行对比，如图 2 所示。当网格数量达到 30 万时，有限元仿真得到的模块结温已经趋近于收敛。因此有限元仿真计算中模型的网格数量尽量保持在 30 万以上。 

图2 网格划分收敛性分析

2.3 双面散热功率模块的热分析载荷及边界条件 

仿真中 SiC 芯片发热功率为 100W，使用体热生成载荷施加在 SiC 芯片上，体热 流密度为 21367mW/mm3。SiC 模块上下两底部与水冷之间进行强制换热，其环境温度 为 45℃，对流换热系数设置为 3mW/(mm² ∙K)，对称面采取相对绝热状态，不设置对流 换热，其余裸露在空气中的模块表面与空气进行对流换热，环境温度设置为 25℃，其对 流换热系数设置为 0.01mW/(mm² ∙K)。添加载荷及边界条件的有限元模型如图 3 所示。 

图 3 功率模块载荷及边界条件

通过对 SiC 双面散热功率模块有限元仿真的稳态结果进行分析，得出稳态温度为 155.933℃，仿真稳态结果如图 4 所示。由图中温度分布可知，SiC 芯片一侧的温度大于 二极管一侧的温度，且呈轴对称分布，这是由于模型载荷作用于 SiC 芯片上，且模型构 建时只建立了整体模型的一半。距离芯片越远处，温度越低。由稳态数据可以发现最高温度节点的编号为 155891 号节点，瞬态仿真基于最高温度的节点进行。

图 4 双面散热功率模块稳态结果

通过对二氧化硅与环氧树脂分别作为填充层时的功率模块进行有限元仿真，瞬态对比图如图 5 所示，由瞬态结果分析可知，环氧树脂作为填充层比 SiO2 作为填充层升温 速率快，但稳态结温高 0.016℃，这是因为仿真时使用的环氧树脂的热导率比 SiO2 的热导率低，热导率越低，会使模块稳态结温越高。

图 5 不同填充层瞬态分析对比图

通过对不同焊料层的材料参数进行仿真，对比图如图 6 所示，由瞬态结果分析可知 烧结银的传热能力比 SnPb、SnAg25Sb10、SAC305、Ag 这四种材料的传热能力更强，由分析可知，烧结银材料较适合作为焊料层。 

图 6 不同焊料层瞬态对比图

通过对不同 DBC 基板陶瓷层的材料进行瞬态分析，对比图如图 7 所示，由瞬态分 析结果可知，氮化铝作为材料比氧化铝作为材料的模块稳态结温低了 10.339℃，使用氧 化铍作为材料比氮化铝作为材料的模块稳态结温低了 2.108℃，但氧化铍在加工过程中 对人体有害。由分析可知，氮化铝更适合作为 DBC 基板的陶瓷层材料。 

图 7 不同陶瓷层瞬态对比图

在 DBC 基板的陶瓷层使用氮化铝，焊料层使用烧结银，填充层使用环氧树脂的模型中，更改烧结银焊层的厚度，针对 5 种不同厚度的烧结银有限元模型进行了稳态分析。不同烧结银厚度对应的模块稳态结温对比如图 8 所示，分析得到模块的稳态结温与烧结银的厚度呈线性关系。

图 8 不同烧结银厚度的结温对比

本文通过传热分析研究了双面散热有限元模型的稳态温度场，得到了在特定载荷下 的模块结温为 155.933℃，通过对不同填充层、不同焊料层、不同陶瓷基板层进行稳态和瞬态分析，得出较佳的使用材料。在此基础上，通过改变烧结银的厚度对功率模块进行稳态分析，得到双面散热功率模块的稳态结温与烧结银的厚度呈线性关系。