傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體由于自身物理性能不足，逐漸不適應(yīng)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求，在此背景下第三代半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生。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(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高以及抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(tái)的逐步實(shí)現(xiàn)，SiC器件市場(chǎng)將高速增長(zhǎng)。

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模將由10.9億美元增長(zhǎng)到62.97億美元，CAGR為34%；其中新能源車用SiC市場(chǎng)規(guī)模將由6.85億美元增長(zhǎng)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(zhǎng)到79.2%，市場(chǎng)份額持續(xù)提升。

一、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(guò)封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和信號(hào)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(shì)性能則給封裝技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：

1.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(guò)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(huì)產(chǎn)生更大的電壓過(guò)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(wèn)題。在相同雜散電容情況下，更高的 dv/dt 也會(huì)增加共模電流。

2.器件高溫工作時(shí)，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(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(shí)可靠性急劇下降，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。解決這一問(wèn)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。

3.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(jìn)的散熱技術(shù)在提升功率密度等方面起著關(guān)鍵作用。

二、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，首先通過(guò)焊錫將芯片背部焊接在基板上，再通過(guò)金屬鍵合線引出正面電極，最后進(jìn)行塑封或者灌膠。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。

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(guò)程中造成嚴(yán)重電壓過(guò)沖，也導(dǎo)致?lián)p耗增加及電磁干擾等問(wèn)題。而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(gè)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。

為充分發(fā)揮 SiC 器件的優(yōu)勢(shì)，提高功率密度，消除金屬鍵合線連接是一種趨勢(shì)。通過(guò)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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)，如圖 2 所示。該封裝通過(guò)一個(gè)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%。

2.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，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 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(jìn)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%。

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。如圖 4 所示為 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(shì)，易于制作，可實(shí)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(yùn)行的可靠性。

3.芯片正面平面互連封裝

除采用柔性 PCB 板取代金屬鍵合線外，還可使用平面互連的連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片正面的連接。圖 5 為 Silicon Power 公司采用端子直連（direct lead bonding，DLB）的焊接方法，類似的還有 IR 的 Cu-Clip IGBT，Siemens 的 SiPLIT 技術(shù)等。平面直連的封裝工藝通過(guò)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(shí)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。

用于 SiC 芯片的埋入式封裝也可認(rèn)為是一種芯片正面的平面直連封裝。如圖 6 所示，該方法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(shí)現(xiàn)電極連接。通過(guò)選擇合理的封裝材料，減小了模塊在高溫時(shí)的層間熱應(yīng)力，并能在 279℃的高溫下測(cè)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(dòng)汽車內(nèi)部 IGBT 的封裝應(yīng)用。圖 7 為一典型的雙面散熱封裝 SiC 模塊，該模塊上下表面均采用 DBC 板進(jìn)行焊接，所以可實(shí)現(xiàn)上下表面同時(shí)散熱。

該工藝的難點(diǎn)在于，芯片上表面需要進(jìn)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(lái)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(guò)程中的關(guān)鍵。得益于上下 DBC 的對(duì)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%。國(guó)內(nèi)如株洲中車時(shí)代電氣、天津大學(xué)等團(tuán)隊(duì)都對(duì)此類雙面封裝模塊進(jìn)行了熱、電氣、可靠性等多方面的研究

CPES 針對(duì) 10kV 的 SiC MOSFET 采用了如圖 8 所示的封裝設(shè)計(jì)。使用銀燒結(jié)技術(shù)將芯片和敷鋁陶瓷板(direct bonded aluminum，DBA)、鉬片相連接。其中芯片下部采用兩層 DBA 板疊加，并將中間層連接到母線中間電壓，一方面可以減小板子邊緣的場(chǎng)強(qiáng)，另一方面減小了橋臂中點(diǎn)對(duì)地的寄生電容，降低 EMI。該模塊可以采用雙面散熱，也可將瓷片電容焊接在芯片上部 DBA 板上，減小回路寄生電感到小于 5nH。

圖 9 為浙江大學(xué)和阿肯色大學(xué)合作提出的一種用于 SiC MOSFET 的雙面壓接模塊。該模塊使用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝和帶有彈性的 Fuzz Button 取代傳統(tǒng) DBC 板和金屬鍵合線實(shí)現(xiàn)芯片互聯(lián)以及散熱設(shè)計(jì)，回路寄生電感參數(shù)僅為 4.3nH。不足之處在于 LTCC 導(dǎo)熱系數(shù)低，而且壓接模塊的特性對(duì)外部壓力反應(yīng)敏感。

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(diǎn)，將開關(guān)橋臂的下管直接疊在上管之上，消除了橋臂中點(diǎn)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，如圖 10(a)所示，并基于此封裝制作了 Buck 變換器模塊。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎng)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。

另有研究將 SiC MOSFET 芯片嵌入 PCB 內(nèi)部，形成如圖 10(b)所示的 3D 封裝形式。芯片表面首先經(jīng)過(guò)鍍銅處理，再借由過(guò)孔沉銅工藝將芯片電極引出，最后使用 PCB 層壓完成多層結(jié)構(gòu)，圖 10(c)為實(shí)物模塊。得益于 PCB 的母排結(jié)構(gòu)，模塊回路電感僅有 0.25nH，并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)門極的開爾文連接方式。該封裝的功率密度極高，如何保證芯片溫度控制是一大難點(diǎn)，外層銅厚和表面熱對(duì)流系數(shù)對(duì)芯片散熱影響很大。除功率芯片之外，無(wú)源元件如磁芯，電容等均可通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞角度?PCB 當(dāng)中以提高功率密度。

4.高溫封裝技術(shù)

1）銅帶連接工藝

在進(jìn)行芯片正面連接時(shí)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。圖 11 所示分別為銅鍵合線、銅帶連接方式。

2）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(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，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(jī)溶劑混合成銀焊膏，再印刷到基板上，通過(guò)預(yù)熱除去有機(jī)溶劑，然后加壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)芯片和基板的連接。圖 12 給出了一些典型的焊錫和燒結(jié)材料的熱導(dǎo)率和工作溫度對(duì)比圖。

3）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(qiáng)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（Direct Bonded Aluminum，DBA）以及活性金屬釬焊（Active Metal Brazing；AMB）等工藝也受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

Cu 作為底板材料熱導(dǎo)率最高，但其與基板之間熱膨脹系數(shù)相差較大。Al 作為底板，成本低，還可顯著降低整體重量，但在熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)匹配方面均表現(xiàn)較差。Cu 基合金如 Cu/Mo，Cu/W，Cu/C 等在熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)方面性能均較為優(yōu)越，但其密度和成本均較高。AlSiC 的成本、密度、熱膨脹系數(shù)均十分理想，但缺點(diǎn)在于熱導(dǎo)率較低。具體使用情況需要結(jié)合實(shí)際情況綜合決定。

5.多功能集成封裝技術(shù)

1）多功能集成封裝技術(shù)

碳化硅器件的出現(xiàn)推動(dòng)了電力電子朝著小型化的方向發(fā)展，其中集成化的趨勢(shì)也日漸明顯。瓷片電容的集成較為常見(jiàn)，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。

驅(qū)動(dòng)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（intelligent power module，IPM），將驅(qū)動(dòng)芯片以及相關(guān)保護(hù)電路集成到模塊內(nèi)部，并用于家電等設(shè)備當(dāng)中。如圖 13 所示，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)將瓷片電容、驅(qū)動(dòng)芯片和 1200V SiC 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(dòng)回路和功率回路的寄生電感參數(shù)。

此外，還有 EMI 濾波器集成，溫度、電流傳感器集成、微通道散熱集成等均有運(yùn)用到碳化硅封裝設(shè)計(jì)當(dāng)中。

2）散熱技術(shù)

散熱技術(shù)也是電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，通常是將單管或模塊貼在散熱器上，再通過(guò)風(fēng)冷或者液冷進(jìn)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。