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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 250oC，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
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