近20多年來，碳化硅(SiC)作為一種寬禁帶功率器件，受到人們越來越多的關(guān)注。碳化硅器件的高頻、高壓、耐高溫、開關(guān)速度快、損耗低等特性，使電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度朝著更高的方向前進(jìn)。

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(shí)現(xiàn)功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)，這對碳化硅功率器件的封裝關(guān)鍵技術(shù)也提出了更高的要求。以下將對碳化硅功率器件封裝技術(shù)的低雜散電感封裝、高溫封裝以及多功能集成封裝3個關(guān)鍵技術(shù)方向進(jìn)行梳理和總結(jié)。

低雜散電感封裝技術(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。

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。消除金屬鍵合線可以有效減小雜散電感值，將其大小控制在5nH以下。下面就其中典型的封裝結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行介紹。

① 單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝

阿肯色大學(xué)團(tuán)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%。

② DBC+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。然而，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)。該混合封裝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。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，模塊內(nèi)部回路寄生電感僅有1.5nH，開關(guān)速度大于50kV/s，損耗相比于傳統(tǒng)模塊可降低50%。

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(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實(shí)現(xiàn)芯片正面的連接。平面互連的方式不僅可以減小電流回路，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。

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。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。

▲埋入式封裝▲

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(shí)現(xiàn)低雜散電感參數(shù)，與之后介紹的雙面散熱封裝以及三維封裝實(shí)現(xiàn)低雜散電感的基本思路相同，只是實(shí)現(xiàn)方式略有不同。

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。雙面散熱封裝SiC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(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。芯片表面首先經(jīng)過鍍銅處理，再借由過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)。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流系數(shù)對芯片散熱影響很大。除功率芯片之外，無源元件如磁芯，電容等均可通過適當(dāng)?shù)姆绞角度隤CB當(dāng)中以提高功率密度。

由上述新型結(jié)構(gòu)可以看出，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(jìn)電力電子走向高頻、高效、高功率密度的保證。

高溫封裝技術(shù)

在進(jìn)行芯片正面連接時可用銅線替代鋁線，消除鍵合線與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。

錫片或錫膏常用于芯片和DBC板的連接，焊接技術(shù)非常成熟而且簡單，通過調(diào)整焊錫成分比例，改進(jìn)錫膏印刷技術(shù)，真空焊接減小空洞率，添加還原氣體等可實(shí)現(xiàn)極高質(zhì)量的焊接工藝。但焊錫熱導(dǎo)率較低，且會隨溫度變化，并不適宜SiC器件在高溫下工作。此外，焊錫層的可靠性問題也是模塊失效的一大原因。

▲典型焊錫及燒結(jié)材料對比▲

燒結(jié)銀連接技術(shù)憑借其極高的熱導(dǎo)率，低燒結(jié)溫度，高熔點(diǎn)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(jī)溶劑混合成銀焊膏，再印刷到基板上，通過預(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。為降低燒結(jié)溫度，一種方法是增大燒結(jié)中施加的壓力，但同時也增加了相應(yīng)的設(shè)備成本，且容易造成芯片損壞；另一種方法是減小銀顆粒的體積如采用納米銀顆粒，但顆粒加工成本高，所以很多研究繼續(xù)針對微米銀顆粒進(jìn)行研究以得到合適的燒結(jié)溫度、壓力、時間參數(shù)來現(xiàn)更加理想的燒結(jié)效果。

此外，為確保碳化硅器件穩(wěn)定工作，陶瓷基板和金屬底板也需要具備良好的高溫可靠性。不同材料間熱膨脹系數(shù)差異越大，材料層間熱應(yīng)力就越高，可靠性越低。所以選用熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)值和碳化硅材料相近的材料是提高封裝可靠性和關(guān)鍵所在。