伴随新能源汽车、光伏、储能等新兴产业快速发展，浙江翠展微电子有限公司（下称“翠展微电子”）加速了功率器件的产品及技术创新，继创新性推出“一体化高性能逆变砖平台”之后，10月30日，在2023慕尼黑华南电子展上，翠展微电子又带来了全新的TPAK封装解决方案。
“TPAK封装是专门为克服TO-247等封装方案缺陷而设计的解决方案，采用该封装方案的产品已经在特斯拉Model 3、Model Y等车型上得到批量应用，目前国内也有一些车型正在验证，相信采用TPAK封装方案的功率器件产品将会在接下来几年内得到大力推广。”翠展微电子硬件研发经理凌欢介绍。
新能源创新需求驱动导入
得益于性价比高，应用简单，可扩展性好，TO-247成为功率器件的主流封装方案之一，但由于该封装方案存在杂散电感大、热阻高、装配工艺复杂，并联一致性差等问题，在汽车电动化浪潮下，以TO-247为代表的传统方案未能很好适应新发展需求。
在早期应用中，实践发现，基于TO-247封装方案的电驱在功率单管并联数量增多时，出现寄生杂感比较大、热阻上升、装配工艺复杂等问题，针对这些痛点，特斯拉提出了全新的TPAK封装方案。
据介绍，TPAK封装采用介于单管和常规模块之间的单开关模块（Single Switch Module）设计，既超越了之前单管封装带来的输出电流、输出功率、寄生电感等限制，又保留了多管并联的灵活性，可以根据不同的逆变器功率输出需求，来选择TPAK模块并联数量。
行业验证发现，采用TPAK封装方案的340A/750V功率器件的杂感为4.4nH，而采用TO-247封装方案的160A/650V功率器件的杂感为20nH，TPAK封装方案产品的杂感明显更低，也低于HP1、HPD等封装方案，该特性可以大幅降低功率器件的关断电阻，从而减小关断损耗，降低温升，提升了可输出的电流范围。
TPAK封装方案还采用AMB陶瓷基板+Cu-Clip取代传统的绑定线技术，“相比TO-247，TPAK具有功率密度更高、可扩展性好、可靠性高、抗震动性能更强等先天优势。”凌欢同时认为，TPAK封装方案结构更为紧凑，符合汽车电子器件小型化发展趋势。
降本增效提速落地
TPAK封装方案对功率器件性能的提升，受到了新能源汽车产业链的高度关注，低成本优势更是加速了其落地，目前已在部分新能源汽车上得到应用。
“目前国内新能源汽车市场竞争激烈，无论是主机厂还是Tier 1，都对成本提出了越来越高的控制要求，并传导到功率模块厂。”凌欢表示，基于降低成本考虑，翠展微电子于2022年开始自研TPAK封装技术体系。
与同业TPAK封装方案相比，翠展微电子不仅在外形上进行了革新，还对内部结构采用了全新设计方案，使得TPAK封装技术能够更好满足下游的降本需求。
传统封装方案采用的是绑定线灌胶方式，该方案的缺点是生产成本高、制造周期长，而TPAK封装方案采用的是塑封技术，不仅生产成本低，而且能大幅提升生产效率。同时为了提升TPAK封装器件的可靠性，铜端子采用了激光焊接技术，既提升了抗震性能，又降低了接触电阻和寄生电感。
在一系列创新技术加持下，TPAK封装的自动化程度更高，生产效率也相应获得提升，仅激光焊接部分，“预计生产效率至少提升了1~2倍。”
不过，作为全新的封装技术，激光焊接技术既是TPAK方案的优势之一，也是其挑战之一，据凌欢介绍，模块厂商和客户端均需要在前期投入焊接设备成本，“目前只有头部企业采购了焊接设备。”
但由于铜铜之间的激光焊接技术在电池行业早已普及，国内拥有成熟的技术和产业链配套，国内企业导入TPAK产线更为便捷，翠展微电子不仅自身可提供完整的TPAK方案和产品，还为客户开发了具备焊接技术的代工厂家，也降低了客户导入门槛。
“与TO-247方案相比，TPAK方案能够降低20%-30%的成本；与HP 1和HPD等方案相比，同等条件下，TPAK方案也更具成本优势，自动化程度提高了，可靠性也提高了，对主机厂、Tier 1来说，都很乐意接受TPAK方案。”凌欢表示。
TPAK方案的灵活性与兼容性，也是其吸引主机厂、Tier 1等下游客户的另一重要原因。
TPAK封装尺寸既可布置单颗晶圆芯片，也可并联两颗晶圆芯片，特别是应对成本较高的SiC，降本优势更为明显，而且，“TPAK封装在设计时可根据不同功率段需求在同一个平台上开发应用，可以是单管单排，也可以是双管并联，如果最大需要4管并联，在满足该需求下，其他功能支持向下兼容三管并联、双管并联、单管等应用需求，驱动和控制电路均无需进行二次开发，大大降低了开发周期和设计的成本。”
普适性拓宽应用前景
相比性能优势，更让凌欢肯定的是，TPAK封装同样具备TO-247方案的普适性特征，未来有望成为高功率密度、高性价比的主流封装方案之一。
截至目前，TPAK封装器件在SiC领域的应用已经得到特斯拉的充分验证，国内基于SiC高成本考虑，主要潜心研究硅基产品，“无论是SiC还是IGBT，TPAK封装都能很好适用，目前国内基于TPAK封装方案的IGBT模块已在批量应用。”
翠展微电子自2022年导入TPAK方案以来，已实现340A/750V IGBT量产，产品同步在头部新能源主机厂相关车型上获得验证；翠展微电子还将在第一款产品基础上提升电流能力，预计今年第四季度推出并量产采用TPAK方案的第二款400A/750V IGBT产品。
在2023慕尼黑华南电子展上，翠展微电子发布的基于TPAK封装的全新产品和解决方案受到了与会者的高度关注，并与翠展微电子就创新应用展开了深度探讨。
行业周知，快充技术是新能源汽车解决补能焦虑的重要手段，目前，以特斯拉为代表的主机厂主推的是大电流快充路线，而国内大部分主机厂选择的是高压快充方案，凌欢表示，“TPAK封装同样适用于大电流方案和高压快充方案，只是选择的晶圆芯片的电压或电流等级不同，在快充领域，SiC是首选方案。”
为此，翠展微电子已在开发基于TPAK封装的SiC器件，据凌欢透露，首款5.5mΩ/1200V SiC模块产品预计于2024年Q2量产上市。
而随着TPAK封装方案逐步落地，将会加快相关技术创新，凌欢表示，“目前的TPAK封装还处于比较基础的阶段，在更高功率密度、更紧凑结构发展趋势下，未来TPAK封装会演进出更多方案，如目前的单管方案，未来可能会推出半桥塑封模块、全桥塑封模块等。”
而随着越来越多客户了解到TPAK封装方案的优势，除了主机厂，越来越多的Tier 1也已就TPAK封装方案进行评估，光伏、储能等市场也有望加入TPAK生态，“虽然目前TPAK主要应用于新能源汽车，但该封装方案的电流能力、功率密度等优势，可以弥补TO-247等封装方案存在的缺陷，特别是针对客户的大功率需求，TPAK的优势更明显，目前已有越来越多的储能、光伏领域客户对TPAK封装方案感兴趣。”凌欢进一步分析称，“预计未来在新能源领域，TPAK封装方案的市场占有率可达20%-30%。”
（校对/占旭亮）
