Model 3 SiC功率模块单元拆解与分析 下

Model 3 SiC功率模块单元拆解与分析 上

模块单元组装工艺分析

Tesla的功率模块单元在inverter的组装中，借鉴了功率模块封装工艺。图为功率模块单元侧视图。

功率模块单元侧视图

照片中显示模块底部的散热器上有前面提及的凸台，凸台表面镀银。模块和散热器凸台之间连接采用烧结银连接技术，可实现高可靠、高导热的连接。由于烧结银连接技术的主要材料成分是银，所以成本比传统焊料贵，其常规的连接厚度较薄，约为25~100um，照片和肉眼都难以观察。该技术主要用于功率模块中芯片和基板的连接，很多Tier 1的控制器公司和Tier2的功率模块制造商，在汽车模块中均或多或少的采用该技术，如Semikron, Infineon, Danfoss, continental等。目前烧结银技术主要用于对可靠性和散热高要求的市场，如汽车，风电等。

功率模块单元侧视图（示意图）

功率模块单元的水冷散热器结构

功率模块散热器结构底部结构

pin-fin高度约为16mm，间距约为1.5mm，采用外壳压铸的方式无法加工这种高而密的pin-fin结构。通过观察inverter外壳和散热器底部结构，发现散热器区域和inverter外壳之间存在缝隙，所以模块散热器和inverter外壳应由两个部件组合而成。从模块侧观察，在inverter外壳和散热器结构的连接位置，有搅拌摩擦焊接的留下的纹理和痕迹。

散热器和逆变器外壳连接

在标准的inverter的组装中，以Infineon的HybridPack 6-switches IGBT模块为例，其模块内部已经实现了机械、散热、电气的连接。所以inverter对模块进行结构安装以及功率电气连接等，均采用标准的螺栓/螺丝连接工艺。而Model 3使用SiC单管模块，其机械、散热和电气连接均在inverter的组装中完成，并采用一些成熟却非传统的组装技术，有必要对其功率模块单元在inverter中的关键组装工艺做进一步分析

第一步：带pin-fin的散热器先嵌入inverter外壳中，沿连接缝一圈通过搅拌摩擦焊实现物理连接，该技术在业界非常成熟，由外壳供应商完成的可能性较大，散热器上的镀银凸台应预先处理；

第二步，在外壳上先组装塑料绝缘件1，再在模块背面印刷烧结银材料，通过专业的压力烧结设备，一次性将24颗SiC单管模块进行烧结，专业设备烧结时间约1~3min, 温度低于250^oC，压力为5~20MPa。因此，塑料绝缘件1有短时耐高温的能力；

第三步，先组装薄膜电容，再采用激光焊接模块和电容的DC+电极端子，以及上下管组成半桥的AC端子。在该工艺过程中，塑料绝缘件1的凸起设计，能够在激光焊接时，顶住需要焊接铜端子的部位，确保两个铜端子之间的紧密接触，以保证激光焊接品质，塑料绝缘件1的所有凸起均有该效果；

第四步，先将塑料绝缘件2和3组装至DC-Cu bus上，放置于模块上方并对其进行限位，确保Cu bus的两端分别置于模块和电容的DC-端子上，采用激光焊接对DC-端子进行连接；

第五步，将塑料绝缘件4组装至AC Cu bus上，并将一端放置于模块的AC端子上，另一端放置于inverter AC输出端子上，同样地采用激光焊接实现AC端子的电气和机械互连。在功率模块单元的组装中，采用压力烧结和激光焊接技术，虽然工艺设备投资大，但工艺可靠性高，适合进行自动化生产。

功率模块单元及其相关零件的关键尺寸见下表，可做参考。值得注意的是，SiC功率模块单元的水平尺寸和Infineon的HybridPack Drive的水平尺寸基本一致 (126.5x154.5 mm)，传统意义上认为，SiC和Si器件比，芯片面积更小，而且少了续流二极管，模块的尺寸应该做的更小。但实际Tesla采用的SiC模块单元与IGBT水平尺寸接近，说明Model 3 inverter的设计，并未追求更小footprint的SiC 模块单元，而是根据inverter的布置需要，对其进行扁平化设计。

表功率模块单元的关键尺寸

Component		Dimension (mm)	Remark
SiC功率模块单元	总尺寸	~4.5x82x253 mm	高度仅考虑模块自身
	单颗尺寸	4.5x19x28 mm
散热器	凸台	1 mm thick
	Pin-fin	~16mm高；1.5x3 mm的椭圆截面；3x4mm菱形布局；
	单排pin-fin	总长~236mm，宽度19mm	长度需结合进出水口位置进行考虑
薄膜电容	总尺寸	~70x260x32 mm
	端子	0.5mm thick
绝缘件1		0.8 mm thick	有短时耐高温能力
绝缘件2,3		0.4 mm thick
DC- Cu bus		0.5 mm thick
AC Cu bus		1 mm thick