中国电源学会

电源科技奖获奖展示 | 一等奖：车用高密度功率模块封装关键技术、材料与应用

更新日期：2019/11/18 11:48:15 浏览量：683

完成单位：天津大学、中国科学院电工研究所、扬州国扬电子有限公司主要完成人：梅云辉、宁圃奇、王玉林、李欣、范涛、滕鹤松、王美玉、陈刚、温旭辉、牛立刚项目亮点模块设计用三维映射模型、纳米银焊膏及其无压低温烧结工艺和高密度双面散热封装技术达到国际领先水平。项目介绍车用电机驱动系统是新能源汽车的关键技术之一。我国在功率密度、产品体积及可靠性三方面与国外比仍存在较大差距。因此，研制可大幅提高车用电机驱动功率密度并控制成本的高密度功率模块，对推动我国新能源汽车技术具有重要意义。我国长期不掌握先进车用电机控制器用核心功率器件的核心技术，项目攻关长期面临两方面难题：①现有互连材料和互连方法可靠性较低，难以满足15万公里运行无故障的要求；② 在车用电机控制器关键功率模块方面，IGBT模块、混合模块和SiC模块完全依赖进口，导致电机控制器功率密度是国外产品的1/2~2/3。在国家与省部级科技项目支持下，经过项目团队6年持续自主创新，该项目在车用高密度功率模块封装设计、材料、工艺与应用等方面取得重大技术突破：（1）建立了功率模块的三维映射模型，优化了电气、散热、热应力的传统评估算法，显著提高了计算速度。原创性提出模块布局优化算法，保证了设计速度与精度，能够在电、热、机三方面快速平衡。（2）开发了纳米银焊膏及其无压低温烧结工艺，突破了传统焊料合金和高辅助压力低温烧结的瓶颈，实现了功率芯片的低空洞、低温无压可靠互连，满足了其高温、可靠应用需求。（3）突破了Si IGBT模块、混合模块和SiC MOSFET模块的铜键合线、多芯片低感均流、应力缓冲等关键封装工艺，研制了多种规格型号的高密度功率模块，实现了国产化批量生产，打破了国外技术垄断，填补了国内行业空白。项目经中国电工技术学会鉴定，认为“项目设计方法新颖、工艺技术先进、具有多项自主知识产权，项目总体达到了国际先进水平；其中，模块设计用三维映射模型、纳米银焊膏及其无压低温烧结工艺和高密度双面散热封装技术达到国际领先水平。本项目共申请中国发明专利38项，获授权项31项，申请中国实用新型专利3项，获授权3项；发表论文32 篇；出版专著 2 部；制定企业标准1 项。产品取得了显著的经济与社会效益，近两年累计销售3977.46万元。项目图片<img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807929068757524709.jpg" title="序号1_12_2_高清图片1s.jpg" alt="序号1_12_2_高清图片1s.jpg"/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807930242146052127.jpg" title="序号1_12_6_高清图像5s.jpg" alt="序号1_12_6_高清图像5s.jpg"/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807930926946052127.jpg" title="序号1_12_4_高清图片2s.jpg" alt="序号1_12_4_高清图片2s.jpg"/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807931607999281372.jpg" title="序号1_12_3_高清图片3s.jpg" alt="序号1_12_3_高清图片3s.jpg"/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807932291709281372.jpg" title="序号1_12_5_高清图片4s.jpg" alt="序号1_12_5_高清图片4s.jpg"/>            项目完成单位 1. 天津大学天津大学研制出具有优异导电性、导热性、耐温性、可靠性的一种芯片纳米互连材料，建立了新型界面互连无铅材料的低温无压烧结大面积互连工艺；采用高可靠、高散热的氮化硅陶瓷覆铜基板材料，实现了均匀分布热应力的双面互连封装集成工艺；研制出高性能、小型化、高可靠性的多型电源模块，并在新能源汽车中实现示范应用。开发的纳米银互连材料工作温度≥250℃，极限耐受温度～700℃；最高工艺温度为250℃，烧结辅助压力为0 MPa；25℃条件下，导热系数为376.5 W m-1 K-1，剪切强度＞30 MPa，瞬态热阻为0.077 K·W-1。基于SiC基芯片的智能电源模块芯片允许工作结温>200°C；转换效率（30 kW，350 V输入，冷却液入水口温度为25℃时）>90%；25℃条件下，SiC MOS模块的漏-源电压为1200 V，漏极直流电流Id为400 A，绝缘耐压Viso为3000 V。发表学术论文18篇，申请专利17件（发明专利14件）。其中已授权发明专利8件，授权实用新型3件。2. 中国科学院电工研究所中国科学院电工研究所率先建立模块物理布局和数字模型间的三维映射模型，用短编码充分表达元件间互连、几何尺寸的相互约束关系，保证映射唯一性大幅降低重复布局数量，打下智能自动设计的基础。为提高布局评估效率，在保证计算精度的前提下，提出降阶解析模型分别实现了电气、散热、热应力三方面的快速算法。在优化算法方面，申请人原创性提出模块布局、互连的双层优化循环，保证了优化速度和收敛能力，能够在电、热、机三方面平衡优化设计，实现SiC芯片与封装材料高效化利用。发表学术论文10篇，申请专利5件。3. 扬州国扬电子有限公司扬州国扬电子有限公司研制了20多种系列的功率模块，涉及100多种规格，电压范围覆盖600 V～3300 V，电流范围覆盖8 A～3600 A。研制的6种系列功率模块通过了第三方检验和测试，并且通过了技术鉴定，达到了国际领先、国际先进等水平。扬州国扬电子有限公司针对多芯片通道的感性和容性杂散参数一致性及谐振问题的统筹设计，较好的解决了现有技术存在的并联芯片的均流问题。除了保证基本的电气间隙和爬电距离设计外，还研究出应用可靠的防拉弧和防爆阻燃的设计方案，同时注重柔性硅凝胶和不同材料之间界面结合特性的研究，进行专项处理，从而有效的避免了模块在高温、振动等状态下界面撕裂后爬电或电气间隙失效。为了减少SiC功率模块内部化学污染，避免内部金属互连结构在高温下的加速腐蚀，充分保证功率模块的绝缘性能，开发内部水汽含量小于5000 ppm的气密性封装结构。研制的产品在军工领域已实现小批量供货，具有重量轻、体积小、热匹配、抗振动等特点。近两年形成销售额3977.46万元，上缴税收123.78万元。发表学术论文4篇，申请专利19件，开发新产品3种，新品种10种。 第一完成人简介    <img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370975807932975669281372.jpg" title="序号1_12_1_第一完成人.jpg" alt="序号1_12_1_第一完成人.jpg" width="300" height=""/>   梅云辉    天津大学 副教授/博导梅云辉，现任天津大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师。梅教授是国家优秀青年科学基金获得者，中国电源学会元器件专委会副主任；主要从事电子封装材料、工艺与可靠性研究；主持多向国家级、省部级科研项目，已发表论文110篇，其中以第一或唯一通讯作者在IEEE T Power Electronics等国际TOP期刊上发表SCI论文约50篇，论文SCI引用826篇次，H因子18；曾获IEEE CPMT Young Award、天津市中青年科技创新领军人才和多次国际会议论文奖；公开中国/美国发明专利36项（授权15项）；成果已在多家单位应用。近年来，完成人围绕“如何克服器件封装失效，实现高可靠器件设计与制造”这一难题及内在关键科学问题开展研究。为器件高可靠性、长寿命的集成制造提供了理论支持和实践应用。

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