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SiC器件封裝技術(shù)大揭秘:三大“絕技”讓你驚嘆不已!

jf_79991306 ? 2025-02-21 13:18 ? 次閱讀
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半導(dǎo)體碳化硅(SiC)功率器件作為一種寬禁帶器件,以其耐高壓、高溫、導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快等優(yōu)異特性,在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而,要充分發(fā)揮SiC器件的這些優(yōu)勢性能,封裝技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)難以匹配SiC器件的快速開關(guān)特性和高溫工作環(huán)境,因此,SiC功率器件的封裝面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)解析SiC功率器件封裝中的三個關(guān)鍵技術(shù):低雜散電感封裝技術(shù)、高溫封裝技術(shù)以及多功能集成封裝技術(shù)。

一、低雜散電感封裝技術(shù)

SiC器件的開關(guān)速度極快,開關(guān)過程中的dv/dt和di/dt均極高。雖然這顯著降低了器件的開關(guān)損耗,但傳統(tǒng)封裝中較大的雜散電感參數(shù)卻帶來了新的問題。在極高的di/dt下,較大的雜散電感會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩,進(jìn)而引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問題。因此,降低封裝中的雜散電感參數(shù)是SiC器件封裝技術(shù)的重要研究方向。

1.1 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的局限性

傳統(tǒng)的SiC器件封裝方式大多沿用了硅器件的封裝技術(shù),如通過焊錫將芯片背部焊接在基板上,再通過金屬鍵合線引出正面電極,最后進(jìn)行塑封或者灌膠。這種封裝方式技術(shù)成熟、成本低廉,且可兼容和替代原有Si基器件。然而,其較大的雜散電感參數(shù)卻成為了制約SiC器件性能發(fā)揮的瓶頸。

傳統(tǒng)封裝中雜散電感的大小與開關(guān)換流回路的面積相關(guān)。其中,金屬鍵合連接方式、元件引腳和多個芯片的平面布局是造成傳統(tǒng)封裝換流回路面積較大的關(guān)鍵影響因素。金屬鍵合線不僅增加了換流回路的面積,還引入了額外的寄生電感。此外,多個芯片的平面布局也限制了電流回路的優(yōu)化空間,使得雜散電感參數(shù)難以進(jìn)一步降低。

1.2 低雜散電感封裝技術(shù)的創(chuàng)新

針對傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的局限性,國內(nèi)外學(xué)者們研究開發(fā)了一系列新的封裝結(jié)構(gòu),用于減小雜散參數(shù),特別是降低雜散電感。以下是一些典型的低雜散電感封裝技術(shù):

  • 單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝:阿肯色大學(xué)團(tuán)隊(duì)借鑒了BGA(球柵陣列)的封裝技術(shù),提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術(shù)。該技術(shù)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,從而消除了金屬鍵合線和引腳端子。這種封裝方式顯著減小了電流回路面積,進(jìn)而降低了雜散電感參數(shù)。與傳統(tǒng)的TO-247封裝相比,單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝的體積減小了14倍,導(dǎo)通電阻減小了24%。
  • DBC+PCB混合封裝:傳統(tǒng)模塊封裝使用的敷銅陶瓷板(Direct Bonded Copper,DBC)限定了芯片只能在二維平面上布局,導(dǎo)致電流回路面積大、雜散電感參數(shù)大。CPES、華中科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)將DBC工藝和PCB(印刷電路板)板相結(jié)合,利用金屬鍵合線將芯片上表面的電極連接到PCB板上,從而控制換流回路在PCB層間流動。這種混合封裝方式大大減小了電流回路面積,進(jìn)而降低了雜散電感參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該混合封裝可將雜散電感控制在5nH以下,體積相比于傳統(tǒng)模塊下降40%。
  • 柔性PCB板結(jié)合燒結(jié)銀工藝的封裝:Semikron公司利用SKiN封裝技術(shù)制作了1200V/400A的SiC模塊。該技術(shù)采用柔性PCB板取代鍵合線實(shí)現(xiàn)芯片的上下表面電氣連接,從而顯著減小了電流回路面積和雜散電感參數(shù)。模塊內(nèi)部回路寄生電感僅有1.5nH,開關(guān)速度大于50kV/μs,損耗相比于傳統(tǒng)模塊可降低50%。
  • 芯片正面平面互連封裝:除了采用柔性PCB板取代金屬鍵合線外,還可使用平面互連的連接方式來實(shí)現(xiàn)芯片正面的連接。例如,SiliconPower公司采用端子直連(Direct Lead Bonding,DLB)的焊接方法實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。類似的技術(shù)還有IR的Cu-Clip IGBT、Siemens的SiPLIT技術(shù)等。平面互連的方式不僅可以減小電流回路面積,進(jìn)而減小雜散電感、電阻,還擁有更出色的溫度循環(huán)特性以及可靠性。
  • 雙面散熱封裝技術(shù):雙面散熱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。該技術(shù)通過在上下表面均采用DBC板進(jìn)行焊接,實(shí)現(xiàn)上下表面同時散熱。得益于上下DBC的對稱布線與合理的芯片布局,雙面散熱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%。

二、高溫封裝技術(shù)

SiC器件的工作溫度可達(dá)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,傳統(tǒng)封裝材料的可靠性急劇下降,甚至無法正常運(yùn)行。因此,高溫封裝技術(shù)成為了SiC器件封裝技術(shù)中的另一個重要研究方向。

2.1 高溫封裝材料的選擇

為了實(shí)現(xiàn)SiC器件的高溫封裝,必須選擇具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和良好機(jī)械性能的材料。例如,氮化鋁(AlN)陶瓷基板就是一種理想的封裝材料。AlN陶瓷基板具有高熱導(dǎo)率(可達(dá)320W/mK)、低熱膨脹系數(shù)(與SiC芯片的熱膨脹系數(shù)相近)和良好的機(jī)械性能,能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。

此外,氮化硅(Si3N4)陶瓷基板也逐漸受到關(guān)注。Si3N4陶瓷基板具有更低的熱膨脹系數(shù)和更高的可靠性,雖然其熱導(dǎo)率略低于AlN陶瓷基板,但在某些高溫應(yīng)用場景下仍具有顯著優(yōu)勢。

2.2 高溫封裝工藝的創(chuàng)新

除了選擇合適的封裝材料外,高溫封裝工藝的創(chuàng)新也是提高SiC器件封裝可靠性的關(guān)鍵。以下是一些典型的高溫封裝工藝:

  • 活性金屬釬焊(AMB)技術(shù):AMB技術(shù)是一種利用活性金屬(如Ti、Zr等)與陶瓷基板表面形成化學(xué)鍵合的高溫封裝技術(shù)。該技術(shù)具有高強(qiáng)度、高可靠性和良好的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。
  • 納米銀燒結(jié)技術(shù):納米銀燒結(jié)技術(shù)是一種利用納米銀顆粒在高溫下熔化并形成致密燒結(jié)層的高溫封裝技術(shù)。該技術(shù)具有低溫?zé)Y(jié)高溫使用、良好的高溫工作特性等優(yōu)點(diǎn),且燒結(jié)層的熱導(dǎo)率可以達(dá)到150-300W/(K·m),模塊溫度循環(huán)的可靠性提高5倍以上。此外,納米銀燒結(jié)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)零空洞連接,進(jìn)一步提高封裝的可靠性。
  • 銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術(shù):為了解決引線鍵合的寄生電感、熱應(yīng)力等一系列問題,部分企業(yè)已經(jīng)引入了銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術(shù)。這些技術(shù)通過消除焊線,使得SiC芯片通過焊接或燒結(jié)直接互連到銅導(dǎo)體上,實(shí)現(xiàn)了兩條平行的冷卻路徑。熱量可以從芯片的上下兩側(cè)消散和傳遞,從而提高了封裝的散熱性能。

三、多功能集成封裝技術(shù)

隨著電子系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度的不斷提高,對功率器件封裝的多功能集成要求也越來越高。SiC功率器件封裝不僅需要實(shí)現(xiàn)功率和信號的高效、高可靠連接,還需要集成保護(hù)、監(jiān)測、控制等多種功能。因此,多功能集成封裝技術(shù)成為了SiC器件封裝技術(shù)中的另一個重要研究方向。

3.1 多功能集成封裝技術(shù)的優(yōu)勢

多功能集成封裝技術(shù)具有以下幾個顯著優(yōu)勢:

  • 提高系統(tǒng)集成度:通過將保護(hù)、監(jiān)測、控制等多種功能集成到功率器件封裝中,可以大大提高系統(tǒng)的集成度,減少外部元件的數(shù)量和連接線的長度,從而降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
  • 提高系統(tǒng)可靠性:集成封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)功率器件與其他元件之間的緊密連接和協(xié)同工作,從而提高系統(tǒng)的整體可靠性。例如,將溫度傳感器集成到功率器件封裝中,可以實(shí)時監(jiān)測器件的工作溫度,防止過熱損壞。
  • 提高系統(tǒng)性能:集成封裝技術(shù)可以優(yōu)化功率器件與其他元件之間的信號傳輸和能量轉(zhuǎn)換路徑,從而提高系統(tǒng)的整體性能。例如,將柵極驅(qū)動器電路集成到功率器件封裝中,可以縮短柵極信號的傳輸路徑,提高器件的開關(guān)速度。

3.2 多功能集成封裝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

多功能集成封裝技術(shù)可以通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn):

  • 三維封裝技術(shù):三維封裝技術(shù)通過將多個芯片或元件垂直堆疊在一起,實(shí)現(xiàn)高度集成化的封裝。例如,將SiC功率器件與柵極驅(qū)動器電路、溫度傳感器等元件垂直堆疊在一起,形成一個緊湊的三維封裝模塊。這種封裝方式可以大大提高系統(tǒng)的集成度和性能。
  • 嵌入式芯片技術(shù):嵌入式芯片技術(shù)通過將芯片直接嵌入到PCB板或陶瓷基板中,實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的緊密連接和協(xié)同工作。例如,利用PCOC(片上電源)技術(shù)將SiC MOSFET芯片嵌入PCB內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)較低的電感路徑和共模電容。這種封裝方式可以減小電流回路面積和雜散電感參數(shù),提高器件的開關(guān)速度和可靠性。
  • 智能封裝技術(shù):智能封裝技術(shù)通過在封裝中集成傳感器微控制器等智能元件,實(shí)現(xiàn)功率器件的實(shí)時監(jiān)測、控制和保護(hù)。例如,在SiC功率器件封裝中集成溫度傳感器和微控制器,可以實(shí)時監(jiān)測器件的工作溫度并根據(jù)溫度變化調(diào)整工作參數(shù)或觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。這種封裝方式可以提高系統(tǒng)的智能化水平和可靠性。

四、總結(jié)與展望

SiC功率器件的封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能的關(guān)鍵。低雜散電感封裝技術(shù)、高溫封裝技術(shù)以及多功能集成封裝技術(shù)是當(dāng)前SiC功率器件封裝技術(shù)的三大研究熱點(diǎn)。這些技術(shù)通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料和工藝,

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