碳化硅多芯片模塊現(xiàn)狀分析

SiC功率模塊封裝技術(shù)綜述：挑戰(zhàn)、進(jìn)展和問(wèn)題

本文作者Rao Tummala曾經(jīng)擔(dān)任IEEE組件封裝制造技術(shù)主席以及國(guó)際微電子封裝裝協(xié)會(huì)的主席。

現(xiàn)代電力電子正面臨著提高效率，同時(shí)減小系統(tǒng)尺寸和成本的巨大需求，適用于廣泛的領(lǐng)域，包括電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源、工業(yè)電機(jī)和發(fā)電機(jī)以及配電網(wǎng)應(yīng)用。為了跟上這種能源消耗的步伐，必須通過(guò)提高控制電機(jī)和發(fā)電機(jī)的電力電子設(shè)備的效率來(lái)降低驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工業(yè)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的能耗，例如風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)和輸送系統(tǒng)。節(jié)能需求也可以在其他應(yīng)用中找到。在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，效率直接影響車(chē)輛的性能，例如行駛距離。因此，提高效率，同時(shí)減少電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)的體積和重量，將有可能節(jié)省大量能源。隨著風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能電池板的安裝迅速增長(zhǎng)以及這些機(jī)器中電力電子設(shè)備效率的提高，預(yù)計(jì)會(huì)有顯著的能量收益。

碳化硅(SiC)是一種寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體材料，已經(jīng)顯示出能夠滿(mǎn)足上述領(lǐng)域不斷發(fā)展的電力電子器件的更高性能需求的能力。過(guò)去，硅(Si)一直是功率開(kāi)關(guān)器件中使用最廣泛的半導(dǎo)體材料。然而，隨著硅基功率器件已接近其物理極限，進(jìn)一步提高其性能正成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。例如，阻斷電壓和工作溫度分別限制在6.5kV和175°C，開(kāi)關(guān)速度相對(duì)較慢。另一方面，由SiC制成的器件在過(guò)去幾十年中已經(jīng)從不成熟的實(shí)驗(yàn)室原型發(fā)展成為可行的商業(yè)產(chǎn)品，并且由于其引人注目的優(yōu)勢(shì)，如高擊穿電壓，高工作電場(chǎng)，高工作溫度，高開(kāi)關(guān)頻率和低損耗，被認(rèn)為是硅基功率器件的替代品。除了這些性能改進(jìn)之外，基于SiC器件的電力電子設(shè)備有望通過(guò)最大限度地減少冷卻要求和無(wú)源元件要求來(lái)減少系統(tǒng)的體積，從而有助于降低整體系統(tǒng)成本。SiC的這些優(yōu)勢(shì)與未來(lái)能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中電力電子的要求和方向非常吻合。盡管與硅基器件相比成本更高，但SiC器件將勝過(guò)硅基器件，因?yàn)樗鼈儙?lái)的潛在系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)足以抵消增加的器件成本。

雖然SiC半導(dǎo)體技術(shù)一直在快速發(fā)展，但功率模塊封裝技術(shù)似乎依賴(lài)于過(guò)去的慣例，這是一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。但是，它并沒(méi)有那么快地發(fā)揮新設(shè)備的全部潛力。SiC器件的封裝主要基于陶瓷基板上的引線(xiàn)鍵合方法，這是形成多芯片模塊(MCM)互連的標(biāo)準(zhǔn)方法，因?yàn)樗子谑褂们页杀鞠鄬?duì)較低。然而，由于其封裝固有的局限性，這種標(biāo)準(zhǔn)封裝方法已被指出是轉(zhuǎn)向更高性能系統(tǒng)的技術(shù)障礙。首先，封裝的電氣寄生效應(yīng)過(guò)高，以至于在SiC器件的快速切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不必要的損耗和噪聲。其次，封裝的熱阻過(guò)高，而熱容量過(guò)低，限制了封裝在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的散熱性能。第三，構(gòu)成封裝的材料和組件通常與高溫操作(>200°C)不兼容，從而在高溫工作溫度下降低熱機(jī)械可靠性。最后，對(duì)于即將推出的高壓SiC器件來(lái)說(shuō)，承受高電場(chǎng)的能力是不夠的。第二節(jié)將進(jìn)一步闡述這些挑戰(zhàn)的細(xì)節(jié)?？傊?，不是器件本身，而是功率模塊封裝是阻礙封裝充分利用SiC組件優(yōu)勢(shì)的主要限制因素之一。因此，應(yīng)盡最大努力了解未來(lái)SiC封裝所需的功能，并相應(yīng)地開(kāi)發(fā)新的封裝技術(shù)。

SiC器件的普及及其潛在的性能優(yōu)勢(shì)在電力電子的許多領(lǐng)域都有所體現(xiàn)。然而，最近商用的SiC功率模塊采用標(biāo)準(zhǔn)方法封裝，用于封裝基于Si的器件，從而阻止了這些新型SiC器件充分利用其潛在優(yōu)勢(shì)。

從Si到SiC的轉(zhuǎn)變需要在未來(lái)的功率模塊中解決四個(gè)主要的封裝挑戰(zhàn)，即快速開(kāi)關(guān)瞬變、熱管理、HT操作和高壓隔離。

審核編輯：湯梓紅