半導(dǎo)體碳化硅（SiC）功率器件作為一種寬禁帶器件，以其耐高壓、高溫、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)異特性，在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，要充分發(fā)揮SiC器件的這些優(yōu)勢(shì)性能，封裝技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)難以匹配SiC器件的快速開(kāi)關(guān)特性和高溫工作環(huán)境，因此，SiC功率器件的封裝面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)解析SiC功率器件封裝中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：低雜散電感封裝技術(shù)、高溫封裝技術(shù)以及多功能集成封裝技術(shù)。

一、低雜散電感封裝技術(shù)

SiC器件的開(kāi)關(guān)速度極快，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的dv/dt和di/dt均極高。雖然這顯著降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，但傳統(tǒng)封裝中較大的雜散電感參數(shù)卻帶來(lái)了新的問(wèn)題。在極高的di/dt下，較大的雜散電感會(huì)產(chǎn)生更大的電壓過(guò)沖以及振蕩，進(jìn)而引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問(wèn)題。因此，降低封裝中的雜散電感參數(shù)是SiC器件封裝技術(shù)的重要研究方向。

1.1 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的局限性

傳統(tǒng)的SiC器件封裝方式大多沿用了硅器件的封裝技術(shù)，如通過(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。這種封裝方式技術(shù)成熟、成本低廉，且可兼容和替代原有Si基器件。然而，其較大的雜散電感參數(shù)卻成為了制約SiC器件性能發(fā)揮的瓶頸。

傳統(tǒng)封裝中雜散電感的大小與開(kāi)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。金屬鍵合線不僅增加了換流回路的面積，還引入了額外的寄生電感。此外，多個(gè)芯片的平面布局也限制了電流回路的優(yōu)化空間，使得雜散電感參數(shù)難以進(jìn)一步降低。

1.2 低雜散電感封裝技術(shù)的創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的局限性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們研究開(kāi)發(fā)了一系列新的封裝結(jié)構(gòu)，用于減小雜散參數(shù)，特別是降低雜散電感。以下是一些典型的低雜散電感封裝技術(shù)：

• 單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝：阿肯色大學(xué)團(tuán)隊(duì)借鑒了BGA（球柵陣列）的封裝技術(shù)，提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術(shù)。該技術(shù)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，從而消除了金屬鍵合線和引腳端子。這種封裝方式顯著減小了電流回路面積，進(jìn)而降低了雜散電感參數(shù)。與傳統(tǒng)的TO-247封裝相比，單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝的體積減小了14倍，導(dǎo)通電阻減小了24%。
• 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，導(dǎo)致電流回路面積大、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（印刷電路板）板相結(jié)合，利用金屬鍵合線將芯片上表面的電極連接到PCB板上，從而控制換流回路在PCB層間流動(dòng)。這種混合封裝方式大大減小了電流回路面積，進(jìn)而降低了雜散電感參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該混合封裝可將雜散電感控制在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：Semikron公司利用SKiN封裝技術(shù)制作了1200V/400A的SiC模塊。該技術(shù)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，從而顯著減小了電流回路面積和雜散電感參數(shù)。模塊內(nèi)部回路寄生電感僅有1.5nH，開(kāi)關(guān)速度大于50kV/μs，損耗相比于傳統(tǒng)模塊可降低50%。
• 芯片正面平面互連封裝：除了采用柔性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。例如，SiliconPower公司采用端子直連（Direct Lead Bonding，DLB）的焊接方法實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。類似的技術(shù)還有IR的Cu-Clip IGBT、Siemens的SiPLIT技術(shù)等。平面互連的方式不僅可以減小電流回路面積，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。
• 雙面散熱封裝技術(shù)：雙面散熱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。該技術(shù)通過(guò)在上下表面均采用DBC板進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)上下表面同時(shí)散熱。得益于上下DBC的對(duì)稱布線與合理的芯片布局，雙面散熱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%。

二、高溫封裝技術(shù)

SiC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)，傳統(tǒng)封裝材料的可靠性急劇下降，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。因此，高溫封裝技術(shù)成為了SiC器件封裝技術(shù)中的另一個(gè)重要研究方向。

2.1 高溫封裝材料的選擇

為了實(shí)現(xiàn)SiC器件的高溫封裝，必須選擇具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和良好機(jī)械性能的材料。例如，氮化鋁（AlN）陶瓷基板就是一種理想的封裝材料。AlN陶瓷基板具有高熱導(dǎo)率（可達(dá)320W/mK）、低熱膨脹系數(shù)（與SiC芯片的熱膨脹系數(shù)相近）和良好的機(jī)械性能，能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。

此外，氮化硅（Si3N4）陶瓷基板也逐漸受到關(guān)注。Si3N4陶瓷基板具有更低的熱膨脹系數(shù)和更高的可靠性，雖然其熱導(dǎo)率略低于AlN陶瓷基板，但在某些高溫應(yīng)用場(chǎng)景下仍具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.2 高溫封裝工藝的創(chuàng)新

除了選擇合適的封裝材料外，高溫封裝工藝的創(chuàng)新也是提高SiC器件封裝可靠性的關(guān)鍵。以下是一些典型的高溫封裝工藝：

• 活性金屬釬焊（AMB）技術(shù)：AMB技術(shù)是一種利用活性金屬（如Ti、Zr等）與陶瓷基板表面形成化學(xué)鍵合的高溫封裝技術(shù)。該技術(shù)具有高強(qiáng)度、高可靠性和良好的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。
• 納米銀燒結(jié)技術(shù)：納米銀燒結(jié)技術(shù)是一種利用納米銀顆粒在高溫下熔化并形成致密燒結(jié)層的高溫封裝技術(shù)。該技術(shù)具有低溫?zé)Y(jié)高溫使用、良好的高溫工作特性等優(yōu)點(diǎn)，且燒結(jié)層的熱導(dǎo)率可以達(dá)到150-300W/（K·m），模塊溫度循環(huán)的可靠性提高5倍以上。此外，納米銀燒結(jié)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)零空洞連接，進(jìn)一步提高封裝的可靠性。
• 銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術(shù)：為了解決引線鍵合的寄生電感、熱應(yīng)力等一系列問(wèn)題，部分企業(yè)已經(jīng)引入了銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術(shù)。這些技術(shù)通過(guò)消除焊線，使得SiC芯片通過(guò)焊接或燒結(jié)直接互連到銅導(dǎo)體上，實(shí)現(xiàn)了兩條平行的冷卻路徑。熱量可以從芯片的上下兩側(cè)消散和傳遞，從而提高了封裝的散熱性能。

三、多功能集成封裝技術(shù)

隨著電子系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度的不斷提高，對(duì)功率器件封裝的多功能集成要求也越來(lái)越高。SiC功率器件封裝不僅需要實(shí)現(xiàn)功率和信號(hào)的高效、高可靠連接，還需要集成保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制等多種功能。因此，多功能集成封裝技術(shù)成為了SiC器件封裝技術(shù)中的另一個(gè)重要研究方向。

3.1 多功能集成封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

多功能集成封裝技術(shù)具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

• 提高系統(tǒng)集成度：通過(guò)將保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制等多種功能集成到功率器件封裝中，可以大大提高系統(tǒng)的集成度，減少外部元件的數(shù)量和連接線的長(zhǎng)度，從而降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
• 提高系統(tǒng)可靠性：集成封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)功率器件與其他元件之間的緊密連接和協(xié)同工作，從而提高系統(tǒng)的整體可靠性。例如，將溫度傳感器集成到功率器件封裝中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件的工作溫度，防止過(guò)熱損壞。
• 提高系統(tǒng)性能：集成封裝技術(shù)可以優(yōu)化功率器件與其他元件之間的信號(hào)傳輸和能量轉(zhuǎn)換路徑，從而提高系統(tǒng)的整體性能。例如，將柵極驅(qū)動(dòng)器電路集成到功率器件封裝中，可以縮短?hào)艠O信號(hào)的傳輸路徑，提高器件的開(kāi)關(guān)速度。

3.2 多功能集成封裝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

多功能集成封裝技術(shù)可以通過(guò)以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：

• 三維封裝技術(shù)：三維封裝技術(shù)通過(guò)將多個(gè)芯片或元件垂直堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)高度集成化的封裝。例如，將SiC功率器件與柵極驅(qū)動(dòng)器電路、溫度傳感器等元件垂直堆疊在一起，形成一個(gè)緊湊的三維封裝模塊。這種封裝方式可以大大提高系統(tǒng)的集成度和性能。
• 嵌入式芯片技術(shù)：嵌入式芯片技術(shù)通過(guò)將芯片直接嵌入到PCB板或陶瓷基板中，實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的緊密連接和協(xié)同工作。例如，利用PCOC（片上電源）技術(shù)將SiC MOSFET芯片嵌入PCB內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)較低的電感路徑和共模電容。這種封裝方式可以減小電流回路面積和雜散電感參數(shù)，提高器件的開(kāi)關(guān)速度和可靠性。
• 智能封裝技術(shù)：智能封裝技術(shù)通過(guò)在封裝中集成傳感器、微控制器等智能元件，實(shí)現(xiàn)功率器件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。例如，在SiC功率器件封裝中集成溫度傳感器和微控制器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件的工作溫度并根據(jù)溫度變化調(diào)整工作參數(shù)或觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。這種封裝方式可以提高系統(tǒng)的智能化水平和可靠性。

四、總結(jié)與展望

SiC功率器件的封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能的關(guān)鍵。低雜散電感封裝技術(shù)、高溫封裝技術(shù)以及多功能集成封裝技術(shù)是當(dāng)前SiC功率器件封裝技術(shù)的三大研究熱點(diǎn)。這些技術(shù)通過(guò)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料和工藝，