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1. 研究背景与项目介绍
- 研究背景
: 宽禁带（WBG）器件因其高效率和高频特性，在电力电子领域具有重要地位。然而，其封装和热管理面临诸多挑战。 - 项目介绍
: 由Fang Luo教授领导的阿肯色大学HiDEC中心专注于高密度电子封装技术，涵盖柔性基板解决方案、陶瓷封装技术等。
2. 封装技术现状与挑战
- 典型封装材料系统:
基板材料对比：Si3N4、AlN、Al2O3、BeO在介电常数、热导率、弯曲强度等方面的表现差异显著。例如，Si3N4的热导率为40-90 W/m·K，而BeO高达209-330 W/m·K。 厚膜金属化技术：AMB（活性金属钎焊）、DBC（直接键合铜）等技术被广泛采用。 - 主要挑战:
寄生效应控制：如杂散电感和电磁干扰（EMI）问题。 高损耗密度下的热管理：需平衡散热性能与可靠性。 可靠性与制造性：特别是针对WBG器件的特殊需求。
3. 先进封装结构设计
- 改进的线键合结构:
减少键合线数量，优化动态电流分配。例如，HT SiC模块通过减少键合线实现了更高的电流共享能力。 - 无线键合结构:
直接引线键合（DLB）技术显著降低功率回路电感。例如，STMicroelectronics开发的全SiC DLB模块用于特斯拉Model 3。 SKiN技术：通过改进结构实现1 nH的回路电感。 - 高压模块设计:
UARK开发的6.5 kV无键合线双面冷却模块，以及CPES的10 kV/54 A无键合线模块。
4. 转换器级封装与系统优化
- 转换器级封装的重要性:
转换器（PEBB）级封装与模块级封装同等重要，反映了WBG器件对系统级的影响。 示例：Gen 1 Si IGBT-SiC MOSFET混合模块（Lbus = 15~18 nH），Gen 2 SiC MOSFET模块（Lbus = 11 nH）。 - 多学科协同设计:
通过电气-热协同设计优化系统性能。例如，3D打印非金属冷板用于EMI优化，温度分布优化至150 kW，1 GPM @ 70°C。
5. 热管理技术
- 管理策略:
冷却技术：包括平行板配置、喷射冷却等。例如，ARL ParaPower通过快速热估算实现稳态和动态热分析。 材料选择：ABS（介电强度15-34 kV/mm）和PTFE（介电强度17-24 kV/mm）作为外壳材料。 - 实际应用案例:
4H PEBBs用于航空推进系统，重量2.1 kg，体积12” x 6” x 4.5”，功率密度达308.61 W/in³。
6. 封装自动化与设计工具
- PowerSynth设计自动化:
提供从S1到S8的三级全桥SiC模块设计支持，简化复杂封装设计流程。 特点：无需有限元分析（FEA）模拟，支持稳态和动态热分析。
7. 总结与展望
- 总结:
先进封装技术是WBG功率转换的关键，新架构和材料系统需求迫切。 转换器级封装与模块级封装同样重要，反映系统级影响。 - 展望:
多学科协同设计为全局优化提供可能性，未来需进一步探索新材料和新工艺。
以上内容详细梳理了宽禁带器件封装技术的研究进展及应用前景，为相关领域的研究提供了重要参考。
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