Model 3 SiC功率模塊單元拆解與分析 中

模塊單元組裝工藝分析
Tesla 的功率模塊單元在 inverter 的組裝中，借鑒了功率模塊封裝工藝。圖為功率模塊單元側(cè)視圖。

功率模塊單元側(cè)視圖

照片中顯示模塊底部的散熱器上有前面提及的凸臺(tái)，凸臺(tái)表面鍍銀。模塊和散熱器凸臺(tái)之間連接采用燒結(jié)銀連接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高可靠、高導(dǎo)熱的連接。由于燒結(jié)銀連接技術(shù)的主要材料成分是銀，所以成本比傳統(tǒng)焊料貴，其常規(guī)的連接厚度較薄，約為 25~100um，照片和肉眼都難以觀察。該技術(shù)主要用于功率模塊中芯片和基板的連接，很多 Tier 1 的控制器公司和 Tier2 的功率模塊制造商，在汽車模塊中均或多或少的采用該技術(shù)，如 Semikron, Infineon, Danfoss, continental 等。目前燒結(jié)銀技術(shù)主要用于對(duì)可靠性和散熱高要求的市場(chǎng)，如汽車，風(fēng)電等。 ??
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功率模塊單元側(cè)視圖（示意圖）
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功率模塊單元的水冷散熱器結(jié)構(gòu)

功率模塊散熱器結(jié)構(gòu) 底部結(jié)構(gòu)

pin-fin 高度約為 16mm，間距約為 1.5mm，采用外殼壓鑄的方式無(wú)法加工這種高而密的 pin-fin 結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察 inverter 外殼和散熱器底部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)散熱器區(qū)域和 inverter 外殼之間存在縫隙，所以模塊散熱器和 inverter 外殼應(yīng)由兩個(gè)部件組合而成。從模塊側(cè)觀察，在 inverter 外殼和散熱器結(jié)構(gòu)的連接位置，有攪拌摩擦焊接的留下的紋理和痕跡。

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散熱器和逆變器外殼連接?
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在標(biāo)準(zhǔn)的 inverter 的組裝中，以 Infineon 的 HybridPack 6-switches IGBT 模塊為例，其模塊內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、散熱、電氣的連接。所以 inverter 對(duì)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝以及功率電氣連接等，均采用標(biāo)準(zhǔn)的螺栓 / 螺絲連接工藝。而 Model 3 使用 SiC 單管模塊，其機(jī)械、散熱和電氣連接均在 inverter 的組裝中完成，并采用一些成熟卻非傳統(tǒng)的組裝技術(shù)，有必要對(duì)其功率模塊單元在 inverter 中的關(guān)鍵組裝工藝做進(jìn)一步分析

第一步：帶 pin-fin 的散熱器先嵌入 inverter 外殼中，沿連接縫一圈通過(guò)攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)物理連接，該技術(shù)在業(yè)界非常成熟，由外殼供應(yīng)商完成的可能性較大，散熱器上的鍍銀凸臺(tái)應(yīng)預(yù)先處理；

第二步，在外殼上先組裝塑料絕緣件 1，再在模塊背面印刷燒結(jié)銀材料，通過(guò)專業(yè)的壓力燒結(jié)設(shè)備，一次性將 24 顆 SiC 單管模塊進(jìn)行燒結(jié)，專業(yè)設(shè)備燒結(jié)時(shí)間約 1~3min, 溫度低于 250oC，壓力為 5~20MPa。因此，塑料絕緣件 1 有短時(shí)耐高溫的能力；

第三步，先組裝薄膜電容，再采用激光焊接模塊和電容的 DC+電極端子，以及上下管組成半橋的 AC 端子。在該工藝過(guò)程中，塑料絕緣件 1 的凸起設(shè)計(jì)，能夠在激光焊接時(shí)，頂住需要焊接銅端子的部位，確保兩個(gè)銅端子之間的緊密接觸，以保證激光焊接品質(zhì)，塑料絕緣件 1 的所有凸起均有該效果；

第四步，先將塑料絕緣件 2 和 3 組裝至 DC-Cu bus 上，放置于模塊上方并對(duì)其進(jìn)行限位，確保 Cu bus 的兩端分別置于模塊和電容的 DC- 端子上，采用激光焊接對(duì) DC- 端子進(jìn)行連接；

第五步，將塑料絕緣件 4 組裝至 AC Cu bus 上，并將一端放置于模塊的 AC 端子上，另一端放置于 inverter AC 輸出端子上，同樣地采用激光焊接實(shí)現(xiàn) AC 端子的電氣和機(jī)械互連。在功率模塊單元的組裝中，采用壓力燒結(jié)和激光焊接技術(shù)，雖然工藝設(shè)備投資大，但工藝可靠性高，適合進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。?
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功率模塊單元及其相關(guān)零件的關(guān)鍵尺寸見(jiàn)下表，可做參考。值得注意的是，SiC 功率模塊單元的水平尺寸和 Infineon 的 HybridPack Drive 的水平尺寸基本一致 (126.5x154.5 mm)，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為，SiC 和 Si 器件比，芯片面積更小，而且少了續(xù)流二極管，模塊的尺寸應(yīng)該做的更小。但實(shí)際 Tesla 采用的 SiC 模塊單元與 IGBT 水平尺寸接近，說(shuō)明 Model 3 inverter 的設(shè)計(jì)，并未追求更小 footprint 的 SiC 模塊單元，而是根據(jù) inverter 的布置需要，對(duì)其進(jìn)行扁平化設(shè)計(jì)。?

表 功率模塊單元的關(guān)鍵尺寸