傳統(tǒng)硅基半導體由于自身物理性能不足，逐漸不適應于半導體行業(yè)的發(fā)展需求，在此背景下第三代半導體應運而生。SiC作為第三代半導體材料具有優(yōu)越的性能，相比于前兩代半導體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、熱導率高、電子飽和速率高以及抗輻射能力強等特點，已成為目前應用最廣、市占率最高的第三代半導體材料。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高壓平臺的逐步實現(xiàn)，SiC器件市場將高速增長。

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球SiC功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，CAGR為34%；其中新能源車用SiC市場規(guī)模將由6.85億美元增長到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最大的下游應用，占比由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)提升。

一、碳化硅功率器件封裝技術的挑戰(zhàn)

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)實現(xiàn)功率和信號的高效、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)勢性能則給封裝技術帶來了新的挑戰(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特性。碳化硅器件的結電容更小，柵極電荷低，因此，開關速度極快，開關過程中的 dv/dt 和 di/dt 均極高。雖然器件開關損耗顯著降低，但傳統(tǒng)封裝中雜散電感參數(shù)較大，在極高的 di/dt 下會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的 dv/dt 也會增加共模電流。

2.器件高溫工作時，封裝可靠性降低

除開關速度更快外，碳化硅器件的工作溫度可達到 300℃ 以上。而現(xiàn)有適用于硅器件的傳統(tǒng)封裝材料及結構一般工作在 150℃ 以下，在更高溫度時可靠性急劇下降，甚至無法正常運行。解決這一問題的關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以及先進的散熱技術在提升功率密度等方面起著關鍵作用。

二、碳化硅功率器件的封裝技術

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，最后進行塑封或者灌膠。傳統(tǒng)封裝技術成熟，成本低，而且可兼容和替代原有 Si 基器件。

傳統(tǒng)封裝結構導致其雜散電感參數(shù)較大，在碳化硅器件快速開關過程中造成嚴重電壓過沖，也導致?lián)p耗增加及電磁干擾等問題。而雜散電感的大小與開關換流回路的面積相關。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鍵影響因素。

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構，降低模塊回路寄生電感值，減小體積是推進電力電子走向高頻、高效、高功率密度的保證。

1.單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝

阿肯色大學團隊借鑒 BGA 的封裝技術，提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術，如圖 2 所示。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、華中科技大學等團隊將 DBC 工藝和 PCB 板相結合，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 板結合燒結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 封裝技術制作的 1200V/400A 的 SiC 模塊。該混合封裝方式結合了 2 種成熟工藝的優(yōu)勢，易于制作，可實現(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 技術等。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力，并能在 279℃的高溫下測量模塊的正反向特性。

4.雙面散熱封裝技術

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 板進行焊接，所以可實現(xiàn)上下表面同時散熱。

該工藝的難點在于，芯片上表面需要進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%。國內(nèi)如株洲中車時代電氣、天津大學等團隊都對此類雙面封裝模塊進行了熱、電氣、可靠性等多方面的研究

CPES 針對 10kV 的 SiC MOSFET 采用了如圖 8 所示的封裝設計。使用銀燒結技術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強，另一方面減小了橋臂中點對地的寄生電容，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 為浙江大學和阿肯色大學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 板和金屬鍵合線實現(xiàn)芯片互聯(lián)以及散熱設計，回路寄生電感參數(shù)僅為 4.3nH。不足之處在于 LTCC 導熱系數(shù)低，而且壓接模塊的特性對外部壓力反應敏感。

5.三維(3D)封裝技術

三維封裝技術利用了 SiC 功率器件垂直型的結構特點，將開關橋臂的下管直接疊在上管之上，消除了橋臂中點的多余布線，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。實驗測試表明，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 層壓完成多層結構，圖 10(c)為實物模塊。得益于 PCB 的母排結構，模塊回路電感僅有 0.25nH，并可同時實現(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，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?shù)姆绞角度?PCB 當中以提高功率密度。

4.高溫封裝技術

1）銅帶連接工藝

在進行芯片正面連接時可用銅線替代鋁線，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）燒結銀連接技術

燒結銀連接技術憑借其極高的熱導率(~200W/(m·K))，低燒結溫度，高熔點等優(yōu)勢，有望取代焊錫成為 SiC 器件的新型連接方法。銀燒結工藝通常是將銀粉與有機溶劑混合成銀焊膏，再印刷到基板上，通過預熱除去有機溶劑，然后加壓燒結實現(xiàn)芯片和基板的連接。圖 12 給出了一些典型的焊錫和燒結材料的熱導率和工作溫度對比圖。

3）高導熱、高可靠封裝材料

導熱系數(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鍵所在。氮化鋁（AlN）導熱系數(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）等工藝也受到人們越來越多的關注。

Cu 作為底板材料熱導率最高，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，但缺點在于熱導率較低。具體使用情況需要結合實際情況綜合決定。

5.多功能集成封裝技術

1）多功能集成封裝技術

碳化硅器件的出現(xiàn)推動了電力電子朝著小型化的方向發(fā)展，其中集成化的趨勢也日漸明顯。瓷片電容的集成較為常見，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)動集成技術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)動芯片以及相關保護電路集成到模塊內(nèi)部，并用于家電等設備當中。如圖 13 所示，浙江大學團隊通過將瓷片電容、驅(qū)動芯片和 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用到碳化硅封裝設計當中。

2）散熱技術

散熱技術也是電力電子系統(tǒng)設計的一大重點和難點。設計中，通常是將單管或模塊貼在散熱器上，再通過風冷或者液冷進行散熱。微通道散熱技術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消除了模塊多層結構的限制，可以極大提高芯片的散熱效率。相變散熱技術如熱管、噴霧等方式相比于單相氣冷、水冷等具有更高的熱導率，非常高效，也為 SiC 器件的散熱提供了一種解決思路。