浅谈碳化硅功率器件的封装技术

SiC作为第三代半导体材料具有优越的性能，相比于前两代半导体材料，碳化硅具有禁带宽度大、击穿电场强度高、热导率高、电子饱和速率高以及抗辐射能力强等特点，已成为目前应用最广、市占率最高的第三代半导体材料。碳化硅器件相较于硅基器件，具有优越的电气性能，如耐高压、耐高温和低损耗。随着新能源汽车渗透率不断提升，叠加800V高压平台的逐步实现，SiC器件市场将高速增长。

根据Yole数据，2021-2027年，全球SiC功率器件市场规模将由10.9亿美元增长到62.97亿美元，CAGR为34%；其中新能源车用SiC市场规模将由6.85亿美元增长到49.86亿美元，CAGR为39.2%，新能源车（逆变器+OBC+DC/DC转换器）是SiC最大的下游应用，占比由62.8%增长到79.2%，市场份额持续提升。

碳化硅功率器件封装技术的挑战

碳化硅器件的这些优良特性，需要通过封装与电路系统实现功率和信号的高效、高可靠连接，才能得到完美展现，如何充分发挥碳化硅器件的这些优势性能则给封装技术带来了新的挑战：

降低杂散电感。传统封装杂散电感参数较大，难以匹配器件的快速开关特性。碳化硅器件的结电容更小，栅极电荷低，因此，开关速度极快，开关过程中的dv/dt和di/dt均极高。虽然器件开关损耗显著降低，但传统封装中杂散电感参数较大，在极高的di/dt下会产生更大的电压过冲以及振荡，引起器件电压应力、损耗的增加以及电磁干扰问题。在相同杂散电容情况下，更高的dv/dt也会增加共模电流。

器件高温工作时，封装可靠性降低。除开关速度更快外，碳化硅器件的工作温度可达到300℃以上。而现有适用于硅器件的传统封装材料及结构一般工作在150℃以下，在更高温度时可靠性急剧下降，甚至无法正常运行。解决这一问题的关键在于找出适宜高温工作的连接材料，匹配封装中不同材料的热性能。

模块的多功能集成封装与高功率密度需求。多功能集成封装技术以及先进的散热技术在提升功率密度等方面起着关键作用。

碳化硅功率器件的封装技术

目前已有的大部分商用SiC器件仍采用传统Si器件的封装方式。传统封装技术成熟，成本低，而且可兼容和替代原有Si基器件。但传统封装结构导致其杂散电感参数较大，在碳化硅器件快速开关过程中造成严重电压过冲，也导致损耗增加及电磁干扰等问题。

为充分发挥SiC器件的优势，提高功率密度、消除金属键合线连接是一种趋势。通过采用各种新型结构，降低模块回路寄生电感值，减小体积是推进电力电子走向高频、高效、高功率密度的保证。

①单管翻转贴片封装

阿肯色大学团队借鉴BGA的封装技术，提出了一种单管的翻转贴片封装技术。该封装通过一个金属连接件将芯片背部电极翻转到和正面电极相同平面位置，然后在相应电极位置上植上焊锡球，消除了金属键合线和引脚端子。相比于TO-247封装，体积减小了14倍，导通电阻减小了24%。

②DBC+PCB混合封装

传统模块封装使用的敷铜陶瓷板(DBC)限定了芯片只能在二维平面上布局，电流回路面积大，杂散电感参数大。CPES、华中科技大学等团队将DBC工艺和PCB板相结合，利用金属键合线将芯片上表面的连接到PCB板，控制换流回路在PCB层间，大大减小了电流回路面积，进而减小杂散电感参数，可将杂散电感可控制在5nH以下，体积相比于传统模块下降40%。

DBC+PCB混合封装

柔性PCB板结合烧结银工艺的封装方式也被用于商业模块中。Semikron公司利用SKiN封装技术制作的1200V/400A的SiC模块。该混合封装方式结合了2种成熟工艺的优势，易于制作，可实现低杂散电感以及更小的体积。但PCB板的存在限制了上述封装方式高温运行的可靠性。

③芯片正面平面互连封装

平面直连的封装工艺通过消除金属键合线，将电流回路从DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的层间布局，显著减小了回路面积，可实现低杂散电感参数，还拥有更出色的温度循环特性以及可靠性。

埋入式封装

用于SiC芯片的埋入式封装也可认为是一种芯片正面的平面直连封装。将芯片置于陶瓷定位槽中，再用绝缘介质填充缝隙，最后覆盖掩膜两面溅射金属铜，实现电极连接。通过选择合理的封装材料，减小了模块在高温时的层间热应力，并能在279℃的高温下测量模块的正反向特性。

④双面散热封装技术

双面封装工艺由于可以双面散热、体积小，较多用于电动汽车内部IGBT的封装应用。典型的双面散热封装SiC模块上下表面均采用DBC板进行焊接，所以可实现上下表面同时散热。

该工艺的难点在于，芯片上表面需要进行溅射或电镀处理使其可焊接，并且在芯片上表面增加金属垫片、连接柱等来消除同一模块中不同高度芯片的高度差。再加上SiC芯片普遍面积小，如何保证在上表面有限面积范围内的焊接质量是该工艺过程中的关键。得益于上下DBC的对称布线与合理的芯片布局，该封装可将回路寄生电感参数降到3nH以下，模块热阻相比于传统封装下降38%。

⑤三维(3D)封装技术

三维封装技术利用了SiC功率器件垂直型的结构特点，将开关桥臂的下管直接叠在上管之上，消除了桥臂中点的多余布线，可将回路寄生电感降至1nH以下。Vagnon于2008年即提出了利用金属片直连的模块单元，并基于此封装制作了Buck变换器模块。实验测试表明，该3D封装模块基本消除了共源极电感，而且辐射电磁场相比于传统模块大大减小，共模电流也得到了很好的抑制。

用于IGBT的3D封装示意图

⑥高温封装技术

铜带连接工艺。在进行芯片正面连接时可用铜线替代铝线，消除了键合线与DBC铜层之间的热膨胀系数差异，极大地提高模块工作的可靠性。此外，铝带、铜带连接工艺因其更大的截流能力、更好的功率循环以及散热能力，也有望为碳化硅提供更佳的解决方案。

烧结银连接技术。烧结银连接技术凭借其极高的热导率(~200W/(m·K))，低烧结温度，高熔点等优势，有望取代焊锡成为SiC器件的新型连接方法。银烧结工艺通常是将银粉与有机溶剂混合成银焊膏，再印刷到基板上，通过预热除去有机溶剂，然后加压烧结实现芯片和基板的连接。

高导热、高可靠封装材料。导热系数高、线性膨胀系数和碳化硅材料（3.7ppm/K）相近的材料是提高封装可靠性和关键所在。氮化铝（AlN）导热系数高，热膨胀系数接近SiC，成本合适，是目前较为理想的碳化硅器件的基板材料。氮化硅（Si3N4）热膨胀系数最接近SiC，而且抗弯强度大，在热循环中更不容易断裂，也是一种适合碳化硅器件高温工作的绝缘材料。

为提高陶瓷基板覆铜层的可靠性，直接敷铝陶瓷基板（DBA）以及活性金属钎焊（AMB）等工艺也受到人们越来越多的关注。

⑦多功能集成封装技术

多功能集成封装技术。碳化硅器件的出现推动了电力电子朝着小型化的方向发展，其中集成化的趋势也日渐明显。瓷片电容的集成较为常见，但目前瓷片电容不耐高温，所以并不适宜于碳化硅的高温工作情况。

集成母线瓷片电容和驱动的SiC半桥模块

驱动集成技术也逐渐引起了人们的重视，三菱、英飞凌等公司均提出了SiC智能功率模块（IPM），将驱动芯片以及相关保护电路集成到模块内部，并用于家电等设备当中。浙江大学团队通过将瓷片电容、驱动芯片和1200VSiC功率芯片集成在同一块DBC板上，使半桥模块面积仅为TO-247单管大小，极大地减小了驱动回路和功率回路的寄生电感参数。

散热技术。散热技术也是电力电子系统设计的一大重点和难点。设计中，通常是将单管或模块贴在散热器上，再通过风冷或者液冷进行散热。微通道散热技术也被用于芯片的直接散热，这种直接作用于芯片的散热技术消除了模块多层结构的限制，可以极大提高芯片的散热效率。相变散热技术如热管、喷雾等方式相比于单相气冷、水冷等具有更高的热导率，非常高效，也为SiC器件的散热提供了一种解决思路。

审核编辑：汤梓红