近20多年来，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。与硅比较，碳化硅具有很多优点，如：碳化硅的禁带宽度更大，这使碳化硅器件拥有更低的泄电流及更高的事情温度，抗辐照能力得到提升；碳化硅材料击穿电场是硅的 10 倍，因此，其器件可设计更高的掺杂浓度及更薄的外延厚度，与相同电压等级的硅功率器件比较，导通电阻更低；碳化硅具有高电子饱和速率的特性，使器件可事情在更高的开关频率；同时，碳化硅材料更高的热导率也有助于提升系统的整体功率密度。碳化硅器件的高频、高压、耐高温、开关速率快、损耗低等特性，使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向提高。
碳化硅器件的这些优秀特性，须要通过封装与电路系统实现功率和旗子暗记的高效、高可靠连接，才能得到完美展现，而现有的传统封装技能运用于碳化硅器件时面临着一些关键寻衅。
碳化硅器件的结电容更小，栅极电荷低，因此，开关速率极快，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落，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滋扰问题。在相同杂散电容情形下，更高的dv/dt 也会增加共模电流。
针对上述问题，国内外学者们研究开拓了一系列新的封装构造，用于减小杂散参数，特殊是降落杂散电感。除开关速率更快外，碳化硅器件的事情温度可达到 300℃以上。而现有适用于硅器件的传统封装材料及构造一样平常事情在 150℃以下，在更高温度时可靠性急剧低落，乃至无法正常运行。办理这一问题的关键在于找出适宜高温事情的连接材料，匹配封装中不同材料的热性能。此外，多功能集成封装技能以及前辈的散热技能在提升功率密度等方面也起着关键浸染。本文重点就低杂散电感封装、高温封装以及多功能集成封装 3 个关键技能方向对现有碳化硅功率器件的封装进行梳理和总结，并剖析和展望所面临的寻衅和机遇。
1、低杂散电感封装技能
目前已有的大部分商用 SiC 器件仍采取传统 Si器件的封装办法，如图 1 所示。该办法首先通过焊锡将芯片背部焊接在基板上，再通过金属键合线引出正面电极，最后进行塑封或者灌胶。传统封装技能成熟，本钱低，而且可兼容和替代原有 Si 基器件。 但是，传统封装构造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滋扰等问题。而杂散电感的大小与开关换流回路的面积干系。个中，金属键合连接办法、元件引脚和多个芯片的平面布局是造成传统封装换流回路面积较大的关键影响成分。表 1 列出了范例的碳化硅器件封装构造并进行分类，同时列出了干系封装办法的杂散电感参数大小。由表 1 可知，肃清金属键合线可以有效减小杂散电感值，将其大小掌握在 5nH 以下。下面就个中范例的封装构造分别进行先容。
1.1 单管翻转贴片封装
阿肯色大学团队借鉴 BGA 的封装技能，提出了一种单管的翻转贴片封装技能，如图 2 所示。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，肃清了金属键合线和引脚端子。比较于 TO-247 封装，体积减小了 14 倍，导通电阻减小了 24%。
1.2 DBC+PCB 稠浊封装
传统模块封装利用的敷铜陶瓷板(direct bonded copper-DBC)限定了芯片只能在二维平面上布局，电流回路面历年夜，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，掌握换流回路在 PCB 层间，大大减小了电流回路面积，进而减小杂散电感参数。如图 3 所示，该稠浊封装可将杂散电感可掌握在 5nH 以下，体积比较于传统模块低落 40%。
柔性PCB 板结合烧结银工艺的封装办法也被用于商业模块中。如图 4 所示为 Semikron 公司利用SKiN 封装技能制作的 1200V/400A 的 SiC 模块[11]。该技能采取柔性 PCB 板取代键合线实现芯片的高下表面电气连接，模块内部回路寄生电感仅有1.5nH，开关速率大于 50kV/s，损耗比较于传统模块可降落 50%。
该稠浊封装办法结合了 2 种成熟工艺的上风，易于制作，可实现低杂散电感以及更小的体积。但PCB 板的存在限定了上述封装办法高温运行的可靠性。
1.3 芯片正面平面互连封装
除采取柔性 PCB 板取代金属键合线外，还可利用平面互连的连接办法来实现芯片正面的连接。图 5 为 SiliconPower 公司采取端子直连(direct lead bonding，DLB)的焊接手法，类似的还有IR 的Cu-Clip IGBT，Siemens 的 SiPLIT 技能等。平面互连的办法不仅可以减小电流回路，进而减小杂散电感、电阻，还拥有更出色的温度循环特性以及可靠性。
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。如图 6 所示，该方法将芯片置于陶瓷定位槽中，再用绝缘介质添补缝隙，末了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℃的高温下丈量模块的正反向特性。
平面直连的封装工艺通过肃清金属键合线，将电流回路从 DBC 板平面布局拓展到芯片高下平面的层间布局，显著减小了回路面积，可实现低杂散电感参数，与之后先容的双面散热封装以及三维封装实现低杂散电感的基本思路相同，只是实现办法略有不同。
1.4 双面散热封装技能
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 的封装运用。图7为一范例的双面散热封装 SiC 模块，该模块高下表面均采取 DBC 板进行焊接，以是可实现高下表面同时散热。
该工艺的难点在于，芯片上表面须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、连接柱等来肃清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，如何担保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。得益于高下 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，模块热阻比较于传统封装低落38%。海内如株洲中车时期电气、天津大学等团队都对此类双面封装模块进行了热、电气、可靠性等多方面的研究。
CPES 针对 10kV 的 SiC MOSFET 采取了如图 8所示的封装设计。利用银烧结技能将芯片和敷铝陶瓷板(direct bonded aluminum，DBA)、钼片相连接。个中芯片下部采取两层 DBA 板叠加，并将中间层连接到母线中间电压，一方面可以减小板子边缘的场强，另一方面减小了桥臂中点对地的寄生电容，降落 EMI。该模块可以采取双面散热，也可将瓷片电容焊接在芯片上部 DBA 板上，减小回路寄生电感到小于 5nH。
图 9 为浙江大学和阿肯色大学互助提出的一种用于 SiC MOSFET 的双面压接模块。该模块利用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺和带有弹性的 Fuzz Button 取代传统 DBC 板和金属键合线实现芯片互联以及散热设计，回路寄生电感参数仅为 4.3nH。不敷之处在于 LTCC 导热系数低，而且压接模块的特性对外部压力反应敏感。此外还有浙江大学与阿尔堡大学互助设计的直接通过螺钉固定的双面压接 SiC MOSFET 模块，也实现了低寄生电感参数和良好均匀的散热特性。
1.5 三维(3D)封装技能
三维封装技能利用了 SiC 功率器件垂直型的构造特点，将开关桥臂的下管直接叠在上管之上，肃清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，如图10(a)所示，并基于此封装制作了 Buck 变换器模块。
实验测试表明，该 3D 封装模块基本肃清了共源极电感，而且辐射电磁场比较于传统模块大大减小，共模电流也得到了很好的抑制。类似的，文献将 SiCMOSFET芯片嵌入 PCB 内部，形成如图 10(b)所示的 3D 封装形式。芯片表面首先经由镀铜处理，再借由过孔沉铜工艺将芯片电极引出，末了利用PCB 层压完成多层构造，图 10(c)为实物模块。得益于PCB 的母排构造，模块回路电感仅有 0.25nH，并可同时实现门极的开尔文连接办法。
该封装的功率密度极高，如何担保芯片温度掌握是一大难点，外层铜厚和表面热对流系数对芯片散热影响很大。除功率芯片之外，无源元件如磁芯，电容等均可通过适当的办法嵌入 PCB 当中以提高功率密度。
由上述新型构造可以看出，为充分发挥 SiC 器件的上风，提高功率密度，肃清金属键合线连接是一种趋势。通过采取各种新型构造，降落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、高功率密度的担保。
2 高温封装技能
在进行芯片正面连接时可用铜线替代铝线，肃清了键合线与 DBC 铜层之间的热膨胀系数差异，极大地提高模块事情的可靠性。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，也有望为碳化硅供应更佳的办理方案。图 11 所示分别为铜键合线、铜带连接办法。
锡片或锡膏常用于芯片和 DBC 板的连接，焊接技能非常成熟而且大略，通过调度焊锡身分比例，改进锡膏印刷技能，真空焊接减小空洞率，添加还原气体等可实现极高质量的焊接工艺。但焊锡热导率较低(~50W/(mK))，且会随温度变革等，并不适宜 SiC 器件在高温下事情。
此外，焊锡层的可靠性问题也是模块失落效的一大缘故原由。烧结银连接技能凭借其极高的热导率(~200W/(m·K))，低烧结温度，高熔点等上风，有望取代焊锡成为 SiC 器件的新型连接方法[38-39]。银烧结工艺常日是将银粉与有机溶剂稠浊成银焊膏，再印刷到基板上，通过预热撤除有机溶剂，然后加压烧结实现芯片和基板的连接。
为降落烧结温度，一种方法是增大烧结中施加的压力，这增加了相应的设备本钱，而且随意马虎造成芯片破坏；另一种方法是减小银颗粒的体积如采取纳米银颗粒，但颗粒加工本钱高，以是很多研究连续针对微米银颗粒进行研究以得到得当的烧结温度、压力、韶光参数来现更加空想的烧结效果。图 12 给出了一些范例的焊锡和烧结材料的热导率和事情温度比拟图。
此外，为确保碳化硅器件稳定事情，陶瓷基板和金属底板也须要具备良好的高温可靠性。表 2、3分别给出了目前常用的一些基板绝缘材料和底板材料，个中：λ 为热导率；α为热膨胀系数；R为挠曲强度；ρ 为密度。λ 越高，散热效果越好，α 则影响了封装在高温事情时不同层材料之间的热应力大小，不同材料间α 差异越大，材料层间热应力就越高，可靠性越低。以是提高λ值 、α 值和碳化硅材料(3.7ppm/K)附近的材料是提高封装可靠性和关键所在。
如表2 所示，Al2O3 具有本钱低，机器强度高档优点，是目前最常用的绝缘材料，但λ 值低，α值明显偏大，不适宜碳化硅的高温事情。
AlN λ值高，α 值靠近 SiC 材料，本钱得当，是目前较为空想的碳化硅器件的基板材料。BeO 虽然 λ 值高，但其强毒性则限定了其运用。
Si3N4 α 值最靠近 SiC材料，而且 R 值大，在热循环中更不随意马虎断裂，也是一种适宜碳化硅器件高温事情的绝缘材料，但其λ值较低，而且本钱很高，限定了其广泛的运用。
为提高陶瓷基板覆铜层的可靠性，覆铝陶瓷板(DBA)以及活性金属钎焊(active metal brazing，AMB)等工艺也受到人们越来越多的关注。如表 3所示，Cu 作为底板材料热导率最高，但其与基板之间热膨胀系数相差较大。
Al 作为底板，本钱低，还可显著降落整体重量，但在热导率和热膨胀系数匹配方面均表现较差。Cu基合金如 Cu/Mo，Cu/W，Cu/C 等在热导率和热膨胀系数方面性能均较为优胜，但其密度和本钱均较高。
AlSiC 的本钱，密度，热膨胀系数均十分空想，但缺陷在于热导率较低。详细利用情形须要结合实际情形综合决定。
综上可以看出，材料是担保碳化硅器件高温可靠事情的根本。而在实际设计过程是，考虑多方面综称身分探求最得当的材料也是器件封装设计中的一大难点所在。
3 多功能集成封装技能
3.1 多功能集成封装技能
碳化硅器件的涌现推动了电力电子朝着小型化的方向发展，个中集成化的趋势也日渐明显。瓷片电容的集成较为常见，通过将瓷片电容尽可能靠近功率芯片可有效减小功率回路寄生电感参数，减小开关过程中的震荡、过冲征象。但目前瓷片电容不耐高温，以是并不适宜于碳化硅的高温事情情形。
驱动集成技能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(intelligent power module，IPM)，将驱动芯片以及干系保护电路集成到模块内部，并用于家电等设备当中。如图 13 所示，浙江大学团队通过将瓷片电容、驱动芯片和 1200V SiC 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。阿肯色大学则针对碳化硅芯片开拓了干系的 SiC CMOS 驱动芯片以充分开拓 SiC 的高温性能。
此外，还有 EMI 滤波器集成，温度、电流传感器集成、微通道散热集成等均有利用到碳化硅封装设计当中。
3.2 散热技能
散热技能也是电力电子系统设计的一大重点和难点。设计中，常日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。将微通道集成在模块的基板内，使得模块整体热阻低落 34%。
微通道散热技能也被用于芯片的直接散热，例如文献中先容了用于宽禁带器件的 3 种范例办法：一种是将微通道直接做在芯片的衬底上；第 2 种则将微通道集成在芯片下层的厚金属层中；第 3 种则通过金属镀层和热介质材料将芯片直接连接到 Si 基微通道构造上。
这种直接浸染于芯片的散热技能肃清了模块多层构造的限定，可以极大提高芯片的散热效率。相变散热技能如热管、喷雾等办法比较于单相气冷、水冷等具有更高的热导率，非常高效，也为 SiC 器件的散热供应了一种办理思路。图 14 给出了目前的散热办法之间的传热系数大略比拟。
4 寻衅机遇和前景展望
在电力电子朝着高效高功率密度发展的方向长进步时，器件的低杂散参数、高温封装以及多功能集成封装起着关键性浸染。通过减小高频开关电流回路的面积实现低杂散电感是碳化硅封装的一种技能发展趋势。然而，实现碳化硅封装技能的打破并大规模运用，还须要开展大量的事情，以下列举一些核心寻衅以及前景展望：
1）低杂散电感封装构造综合性能的进一步研究验证。例如封装构造的功率循环、温度循环能力，实际散热效果，制造难度和本钱，以及实现大功率模组的串并联难易程度等。
2）适用于高温事情的封装材料的研究。开拓耐高温、具有优秀导热系数、热膨胀系数相互匹配的封装材料始终是提升封装高温事情可靠性的关键；同时，改进工艺、降落现有优秀封装材料的生产本钱和工艺难度也是封装朝着高温方向发展的主要制约成分。
3）多功能集成封装模块的内部滋扰、共同散热等关键问题研究。模块的多功能集成是电力电子的发展趋势，但瓷片电容、传感器、栅极驱动等还无法完备匹配碳化硅的高温高频性能、散热和电磁兼容问题；开拓高温电容、功率芯片片内集成传感器、研究 SiC CMOS 驱动芯片或者采取 SOI(silicon on insulator)等工艺方案都有待进一步探索。
4）新型散热办法的探索。减小芯片散热路径上的热阻是封装散热技能的关键，一方面，利用高导热系数材料，另一方面可以减少封装的层叠构造，如：DBC 直连散热器、微通道液冷散热器集成及芯片直接散热办法等均为碳化硅器件的散热供应了更多的可能。可以预见，碳化硅器件和封装技能的发展已经为电力电子技能打开了一扇更广阔的大门，助力电力电子技能朝着高频、高效、高功率密度的方向提高。
5 结论
本文剖析和磋商了碳化硅器件封装中的 3 个关键技能问题：
1）整理归纳了低杂散电感参数的新型封装构造，从设计事理上概括了其基本思路并列举了一些范例封装构造；
2）总结了目前常用的一些高温封装办法和材料特性等，并指出高温封装中的关键性问题和解决思路；
3）综述概括了现有的碳化硅封装多功能集成的趋势以及散热技能。末了，对碳化硅的封装技能作了展望，指出了其所面临的寻衅和机遇。
来源：半导体封装工程师之家
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