淺談碳化硅功率器件的封裝技術(shù)

SiC作為第三代半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的性能，相比于前兩代半導(dǎo)體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高以及抗輻射能力強等特點，已成為目前應(yīng)用最廣、市占率最高的第三代半導(dǎo)體材料。碳化硅器件相較于硅基器件，具有優(yōu)越的電氣性能，如耐高壓、耐高溫和低損耗。隨著新能源汽車滲透率不斷提升，疊加800V高壓平臺的逐步實現(xiàn)，SiC器件市場將高速增長。

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球SiC功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，CAGR為34%；其中新能源車用SiC市場規(guī)模將由6.85億美元增長到49.86億美元，CAGR為39.2%，新能源車（逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器）是SiC最大的下游應(yīng)用，占比由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)提升。

碳化硅功率器件封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)

碳化硅器件的這些優(yōu)良特性，需要通過封裝與電路系統(tǒng)實現(xiàn)功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)，如何充分發(fā)揮碳化硅器件的這些優(yōu)勢性能則給封裝技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)：

降低雜散電感。傳統(tǒng)封裝雜散電感參數(shù)較大，難以匹配器件的快速開關(guān)特性。碳化硅器件的結(jié)電容更小，柵極電荷低，因此，開關(guān)速度極快，開關(guān)過程中的dv/dt和di/dt均極高。雖然器件開關(guān)損耗顯著降低，但傳統(tǒng)封裝中雜散電感參數(shù)較大，在極高的di/dt下會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt也會增加共模電流。

器件高溫工作時，封裝可靠性降低。除開關(guān)速度更快外，碳化硅器件的工作溫度可達到300℃以上。而現(xiàn)有適用于硅器件的傳統(tǒng)封裝材料及結(jié)構(gòu)一般工作在150℃以下，在更高溫度時可靠性急劇下降，甚至無法正常運行。解決這一問題的關(guān)鍵在于找出適宜高溫工作的連接材料，匹配封裝中不同材料的熱性能。

模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求。多功能集成封裝技術(shù)以及先進的散熱技術(shù)在提升功率密度等方面起著關(guān)鍵作用。

碳化硅功率器件的封裝技術(shù)

目前已有的大部分商用SiC器件仍采用傳統(tǒng)Si器件的封裝方式。傳統(tǒng)封裝技術(shù)成熟，成本低，而且可兼容和替代原有Si基器件。但傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其雜散電感參數(shù)較大，在碳化硅器件快速開關(guān)過程中造成嚴(yán)重電壓過沖，也導(dǎo)致?lián)p耗增加及電磁干擾等問題。

為充分發(fā)揮SiC器件的優(yōu)勢，提高功率密度、消除金屬鍵合線連接是一種趨勢。通過采用各種新型結(jié)構(gòu)，降低模塊回路寄生電感值，減小體積是推進電力電子走向高頻、高效、高功率密度的保證。

①單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝

阿肯色大學(xué)團隊借鑒BGA的封裝技術(shù)，提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術(shù)。該封裝通過一個金屬連接件將芯片背部電極翻轉(zhuǎn)到和正面電極相同平面位置，然后在相應(yīng)電極位置上植上焊錫球，消除了金屬鍵合線和引腳端子。相比于TO-247封裝，體積減小了14倍，導(dǎo)通電阻減小了24%。

②DBC+PCB混合封裝

傳統(tǒng)模塊封裝使用的敷銅陶瓷板(DBC)限定了芯片只能在二維平面上布局，電流回路面積大，雜散電感參數(shù)大。CPES、華中科技大學(xué)等團隊將DBC工藝和PCB板相結(jié)合，利用金屬鍵合線將芯片上表面的連接到PCB板，控制換流回路在PCB層間，大大減小了電流回路面積，進而減小雜散電感參數(shù)，可將雜散電感可控制在5nH以下，體積相比于傳統(tǒng)模塊下降40%。

DBC+PCB混合封裝

柔性PCB板結(jié)合燒結(jié)銀工藝的封裝方式也被用于商業(yè)模塊中。Semikron公司利用SKiN封裝技術(shù)制作的1200V/400A的SiC模塊。該混合封裝方式結(jié)合了2種成熟工藝的優(yōu)勢，易于制作，可實現(xiàn)低雜散電感以及更小的體積。但PCB板的存在限制了上述封裝方式高溫運行的可靠性。

③芯片正面平面互連封裝

平面直連的封裝工藝通過消除金屬鍵合線，將電流回路從DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的層間布局，顯著減小了回路面積，可實現(xiàn)低雜散電感參數(shù)，還擁有更出色的溫度循環(huán)特性以及可靠性。

埋入式封裝

用于SiC芯片的埋入式封裝也可認為是一種芯片正面的平面直連封裝。將芯片置于陶瓷定位槽中，再用絕緣介質(zhì)填充縫隙，最后覆蓋掩膜兩面濺射金屬銅，實現(xiàn)電極連接。通過選擇合理的封裝材料，減小了模塊在高溫時的層間熱應(yīng)力，并能在279℃的高溫下測量模塊的正反向特性。

④雙面散熱封裝技術(shù)

雙面封裝工藝由于可以雙面散熱、體積小，較多用于電動汽車內(nèi)部IGBT的封裝應(yīng)用。典型的雙面散熱封裝SiC模塊上下表面均采用DBC板進行焊接，所以可實現(xiàn)上下表面同時散熱。

該工藝的難點在于，芯片上表面需要進行濺射或電鍍處理使其可焊接，并且在芯片上表面增加金屬墊片、連接柱等來消除同一模塊中不同高度芯片的高度差。再加上SiC芯片普遍面積小，如何保證在上表面有限面積范圍內(nèi)的焊接質(zhì)量是該工藝過程中的關(guān)鍵。得益于上下DBC的對稱布線與合理的芯片布局，該封裝可將回路寄生電感參數(shù)降到3nH以下，模塊熱阻相比于傳統(tǒng)封裝下降38%。

⑤三維(3D)封裝技術(shù)

三維封裝技術(shù)利用了SiC功率器件垂直型的結(jié)構(gòu)特點，將開關(guān)橋臂的下管直接疊在上管之上，消除了橋臂中點的多余布線，可將回路寄生電感降至1nH以下。Vagnon于2008年即提出了利用金屬片直連的模塊單元，并基于此封裝制作了Buck變換器模塊。實驗測試表明，該3D封裝模塊基本消除了共源極電感，而且輻射電磁場相比于傳統(tǒng)模塊大大減小，共模電流也得到了很好的抑制。

用于IGBT的3D封裝示意圖

⑥高溫封裝技術(shù)

銅帶連接工藝。在進行芯片正面連接時可用銅線替代鋁線，消除了鍵合線與DBC銅層之間的熱膨脹系數(shù)差異，極大地提高模塊工作的可靠性。此外，鋁帶、銅帶連接工藝因其更大的截流能力、更好的功率循環(huán)以及散熱能力，也有望為碳化硅提供更佳的解決方案。

燒結(jié)銀連接技術(shù)。燒結(jié)銀連接技術(shù)憑借其極高的熱導(dǎo)率(~200W/(m·K))，低燒結(jié)溫度，高熔點等優(yōu)勢，有望取代焊錫成為SiC器件的新型連接方法。銀燒結(jié)工藝通常是將銀粉與有機溶劑混合成銀焊膏，再印刷到基板上，通過預(yù)熱除去有機溶劑，然后加壓燒結(jié)實現(xiàn)芯片和基板的連接。

高導(dǎo)熱、高可靠封裝材料。導(dǎo)熱系數(shù)高、線性膨脹系數(shù)和碳化硅材料（3.7ppm/K）相近的材料是提高封裝可靠性和關(guān)鍵所在。氮化鋁（AlN）導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)接近SiC，成本合適，是目前較為理想的碳化硅器件的基板材料。氮化硅（Si3N4）熱膨脹系數(shù)最接近SiC，而且抗彎強度大，在熱循環(huán)中更不容易斷裂，也是一種適合碳化硅器件高溫工作的絕緣材料。

為提高陶瓷基板覆銅層的可靠性，直接敷鋁陶瓷基板（DBA）以及活性金屬釬焊（AMB）等工藝也受到人們越來越多的關(guān)注。

⑦多功能集成封裝技術(shù)

多功能集成封裝技術(shù)。碳化硅器件的出現(xiàn)推動了電力電子朝著小型化的方向發(fā)展，其中集成化的趨勢也日漸明顯。瓷片電容的集成較為常見，但目前瓷片電容不耐高溫，所以并不適宜于碳化硅的高溫工作情況。

集成母線瓷片電容和驅(qū)動的SiC半橋模塊

驅(qū)動集成技術(shù)也逐漸引起了人們的重視，三菱、英飛凌等公司均提出了SiC智能功率模塊（IPM），將驅(qū)動芯片以及相關(guān)保護電路集成到模塊內(nèi)部，并用于家電等設(shè)備當(dāng)中。浙江大學(xué)團隊通過將瓷片電容、驅(qū)動芯片和1200VSiC功率芯片集成在同一塊DBC板上，使半橋模塊面積僅為TO-247單管大小，極大地減小了驅(qū)動回路和功率回路的寄生電感參數(shù)。

散熱技術(shù)。散熱技術(shù)也是電力電子系統(tǒng)設(shè)計的一大重點和難點。設(shè)計中，通常是將單管或模塊貼在散熱器上，再通過風(fēng)冷或者液冷進行散熱。微通道散熱技術(shù)也被用于芯片的直接散熱，這種直接作用于芯片的散熱技術(shù)消除了模塊多層結(jié)構(gòu)的限制，可以極大提高芯片的散熱效率。相變散熱技術(shù)如熱管、噴霧等方式相比于單相氣冷、水冷等具有更高的熱導(dǎo)率，非常高效，也為SiC器件的散熱提供了一種解決思路。

審核編輯：湯梓紅