本文聚焦于先進碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)，闡述其基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、面臨挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢。碳化硅功率半導(dǎo)體憑借低內(nèi)阻、高耐壓、高頻率和高結(jié)溫等優(yōu)異特性，在移動應(yīng)用功率密度提升的背景下，對封裝技術(shù)提出全新要求。先進的封裝技術(shù)能夠充分發(fā)揮碳化硅器件的優(yōu)勢，提升功率模塊的性能與可靠性，推動電力電子系統(tǒng)向更高效率、更高功率密度方向發(fā)展。

一、引言

在當今科技飛速發(fā)展的時代，電力電子系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，如電動汽車、可再生能源發(fā)電、智能電網(wǎng)等。隨著這些領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮酉到y(tǒng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體器件逐漸難以滿足需求。碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體作為一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有低內(nèi)阻、高耐壓、高頻率和高結(jié)溫等優(yōu)異特性，為電力電子系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的機遇。然而，要充分發(fā)揮碳化硅功率半導(dǎo)體的優(yōu)勢，先進的封裝技術(shù)不可或缺。封裝技術(shù)不僅影響器件的電氣性能和可靠性，還決定了功率模塊的體積、重量和成本。因此，深入研究先進碳化硅功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

二、碳化硅功率半導(dǎo)體封裝概述

（一）碳化硅功率半導(dǎo)體的特性

碳化硅材料具有諸多獨特的物理特性，使其成為制作功率半導(dǎo)體的理想材料。其禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強約為硅基材料的10倍，熱導(dǎo)率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。這些特性使得碳化硅功率半導(dǎo)體能夠在高溫、高壓、高頻環(huán)境下穩(wěn)定工作，具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。例如，在電動汽車中，采用碳化硅功率半導(dǎo)體器件的電機控制器，可使車輛續(xù)航里程提升5%—10%，同時充電速度也大幅加快。

（二）封裝的作用與要求

封裝是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于碳化硅功率半導(dǎo)體而言，封裝的主要作用是實現(xiàn)器件與外部電路的電氣連接、提供機械支撐和保護、實現(xiàn)散熱以及提高器件的可靠性。由于碳化硅功率半導(dǎo)體的高溫、高頻特性，對封裝技術(shù)提出了更高的要求。封裝材料需要具備良好的高溫穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，以確保器件在高溫環(huán)境下能夠正常工作，并有效降低熱應(yīng)力對器件性能的影響。同時，封裝結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化，以降低寄生電感和電阻，提高器件的開關(guān)速度和效率。

三、先進碳化硅功率半導(dǎo)體封裝關(guān)鍵技術(shù)

（一）低雜散電感封裝技術(shù)

碳化硅器件的開關(guān)速度極快，開關(guān)過程中的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下會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問題。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者們研究開發(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。

1. 單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝：借鑒BGA的封裝技術(shù)，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。相比傳統(tǒng)的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：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，進而減小雜散電感參數(shù)。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%。
3. 芯片正面平面互連封裝：采用平面互連的連接方式來實現(xiàn)芯片正面的連接，如Silicon Power公司采用端子直連（DLB）的焊接方法，類似的還有IR的Cu-Clip IGBT，Siemens的SiPLIT技術(shù)等。平面互連的方式不僅可以減小電流回路，進而減小雜散電感、電阻，還擁有更出色的溫度循環(huán)特性以及可靠性。

（二）高溫封裝技術(shù)

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(jié)構(gòu)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(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。

1. 高溫封裝材料：常見的覆銅陶瓷基板（DBC）主要采用氧化鋁（Al?O?）和氮化鋁（AlN），這兩種材料在300℃時僅20—30個循環(huán)次數(shù)便會失效，不適用于高溫封裝場合。SiC模塊封裝的趨勢是采用氮化硅陶瓷基板，并結(jié)合使用活性金屬釬焊（AMB）技術(shù)。AMB工藝可靠性明顯高于DBC，其基板材料主要有Si?N?和AlN，前者熱膨脹系數(shù)更低，可靠性更高，后者的熱導(dǎo)性更好。現(xiàn)階段，Si?N?導(dǎo)熱性與AlN相差不多，同時基板厚度可以薄至0.25mm（AlN需要0.63mm以上），因此Si?N?用于SiC模塊封裝越來越成為趨勢。
2. 納米銀燒結(jié)技術(shù)：是大功率器件最合適的界面互連技術(shù)之一，具有傳統(tǒng)功率粘結(jié)材料無法比擬的優(yōu)點，低溫?zé)Y(jié)高溫使用，具有良好的高溫工作特性。納米銀燒結(jié)層的熱導(dǎo)率可以達到150—300W/（K·m），模塊溫度循環(huán)的可靠性提高5倍以上，其燒結(jié)面的電阻率可以降低至8×10??Ω·cm2。銀燒結(jié)工藝使用的焊料一般有銀膏和銀膜，銀膏燒結(jié)工藝流程是“銀膏印刷—預(yù)熱烘烤—芯片貼片—加壓燒結(jié)”，而銀膜燒結(jié)工藝流程是“芯片轉(zhuǎn)印—芯片貼片—加壓燒結(jié)”。銀燒結(jié)技術(shù)在車規(guī)級SiC器件/模塊中的重要性更顯著，據(jù)檢測機構(gòu)分析，銀燒結(jié)+鋁線的組合可使SiC通過5萬次循環(huán)壽命的界限，而銅線+銀燒結(jié)的組合可超過車規(guī)級壽命需求。

（三）多功能集成封裝技術(shù)

多功能集成封裝技術(shù)以及先進的散熱技術(shù)在提升功率密度等方面也起著關(guān)鍵作用。通過在模塊中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅(qū)動電路等組件，實現(xiàn)模塊的功能集成，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。例如，一些先進的碳化硅功率模塊內(nèi)置了溫度傳感器，且PTC安裝在靠近芯片的模塊中心位置，得到了一個緊密的熱耦合，可方便精確地對模塊溫度進行測量。同時，采用先進的散熱技術(shù)，如雙面散熱封裝，能夠有效降低模塊的熱阻，提高模塊的散熱能力。雙面散熱封裝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。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%。

四、先進碳化硅功率半導(dǎo)體封裝面臨的挑戰(zhàn)

（一）成本問題

高成本是目前SiC功率模塊發(fā)展的最大瓶頸，相較于硅基IGBT模塊，其成本現(xiàn)階段仍高出2—3倍。這主要是由于SiC材料制備成本高、封裝工藝復(fù)雜以及生產(chǎn)規(guī)模較小等原因?qū)е碌摹榱私档统杀荆枰粩嗵岣逽iC材料的制備工藝水平，降低材料成本；同時，優(yōu)化封裝工藝，提高生產(chǎn)效率，降低封裝成本。此外，隨著SiC功率模塊市場需求的增加，生產(chǎn)規(guī)模的擴大也將有助于降低成本。

（二）可靠性問題

盡管SiC材料本身具有優(yōu)異的性能，但在封裝過程中，由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配、界面熱應(yīng)力等問題，容易導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)的可靠性下降。例如，在高溫工作環(huán)境下，封裝材料與SiC芯片之間的熱膨脹系數(shù)差異會產(chǎn)生熱應(yīng)力，長期作用下可能導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)開裂、芯片脫落等問題，影響器件的可靠性和壽命。為了提高封裝可靠性，需要選擇熱膨脹系數(shù)與SiC芯片相匹配的封裝材料，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。同時，加強對封裝工藝的質(zhì)量控制，確保封裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和可靠性。

（三）技術(shù)標準與規(guī)范不完善

目前，碳化硅功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)還處于發(fā)展階段，相關(guān)的技術(shù)標準與規(guī)范還不夠完善。這導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的碳化硅功率模塊在性能、尺寸、接口等方面存在差異，給產(chǎn)品的選型和應(yīng)用帶來了一定的困難。為了促進碳化硅功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的健康發(fā)展，需要加快制定統(tǒng)一的技術(shù)標準與規(guī)范，明確產(chǎn)品的性能指標、測試方法、接口標準等，提高產(chǎn)品的兼容性和互換性。

五、未來發(fā)展趨勢

（一）封裝結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化

未來，碳化硅功率半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)將朝著更緊湊、更高效的方向發(fā)展。通過采用新型的