摘 要

  碳化硅 （SiC） 具有禁帶寬、臨界擊穿場(chǎng)強大、熱導率高、高壓、高溫、高頻等優(yōu)點(diǎn)。應用于硅基器件的傳統封裝方式寄生電感參數較大，難以匹配 SiC 器件的快速開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)高溫工況下封裝可靠性大幅降低，為充分發(fā)揮 SiC 器件的優(yōu)勢需要改進(jìn)現有的封裝技術(shù)。針對上述挑戰，對國內外現有的低寄生電感封裝方式進(jìn)行了總結。分析了現有的高溫封裝技術(shù)，結合新能源電力系的發(fā)展趨勢，對 SiC 器件封裝技術(shù)進(jìn)行歸納和展望。

1 引言

      隨著(zhù)我國的能源占比和能源消費方式由以化石能源為主轉變?yōu)橐噪娔?/span>、氫能等清潔能源為主[1-2]，2020年9月，習近平主席在聯(lián)大宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和。2021年3月，中央財經(jīng)委員會(huì )第九次會(huì )議提出構建以新能源為主體的新型電力系統。

  碳化硅（SiC）禁帶寬、臨界擊穿場(chǎng)強大、熱導率高，是第三代半導體的典型代表，SiC 材料、器件已經(jīng)列入“十四五”科技規劃，其具有電壓高、損耗低、耐高溫工作等優(yōu)勢，對于電力電子裝備高效化、小型化具有重要作用。

       SiC材料的這些優(yōu)良特性，需要通過(guò)封裝來(lái)實(shí)現功率和信號高效可靠的連接，才能在電力電子裝備中得到完美展現，而傳統的硅基器件封裝技術(shù)在應用于SiC 器件時(shí)面臨著(zhù)如寄生電感過(guò)高和高溫下性能退化等問(wèn)題。本文總結了幾種低寄生電感封裝技術(shù)及高溫封裝技術(shù)，并對 SiC 器件在新能源電力系統中的發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。

2 低寄生電感封裝技術(shù)

2.1 芯片無(wú)應力封裝

  為降低高壓 SiC 模塊的寄生電感，同時(shí)消除芯片表面的應力，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出了一種寄生電感極低的封裝結構 ZPOC（Zero Pressure on Chip）封裝，ZPOC 封裝示意圖如圖 1 所示；隨后聯(lián)研院采用ZPOC 封裝結構，基于正向參數匹配與芯片并聯(lián)，研制了 6.5 kV/100 A SiC SBD 器件；結合 SiC SBD 串聯(lián)技術(shù)，實(shí)現 6 支器件串聯(lián)，研制了 39 kV/100 A SiC SBD組件，并在 24 kV 換流閥功率模塊中得到應用。

  應用 ZPOC 封裝技術(shù)的模塊使用了焊接與壓接相結合的封裝形式，具有雙面散熱、易于串聯(lián)、電磁兼容等優(yōu)勢，加入三代半交流群，加vx:tuoke08，可以有效降低模塊在封裝過(guò)程中引入的寄生電感，經(jīng)實(shí)驗測得封裝寄生電感為 3.56 nH，對改善模塊的開(kāi)關(guān)特性具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

2.2 三維（3D）封裝

  3D 封裝（示意見(jiàn)圖 2）技術(shù)將 SiC 模塊的上橋臂直接疊加在下橋臂，上下疊加后可以減小橋臂中點(diǎn)的連接線(xiàn)（見(jiàn)圖 3），該封裝技術(shù)可將模塊寄生電感降至1 nH 以下。

  2010年格勒諾布爾電氣工程實(shí)驗室 VAGNON利用3D封裝技術(shù)搭建了單相400 V/40 A高頻（HF）整流器及Buck變換器模塊。實(shí)驗結果表明采用3D封裝技術(shù)后IGBT在關(guān)斷時(shí)僅有 10%的電壓過(guò)沖，且在導通時(shí)幾乎沒(méi)有欠壓。因此3D封裝技術(shù)可以基本消除共源極電感，同時(shí)共模電流也得到了很好的抑制。

  2015年，歐洲研發(fā)中心的 REGNAT[10]提出了一種基于印刷電路板（PCB）嵌入式芯片技術(shù)的新型3D封裝。利用PCOC（片上電源）技術(shù)將SiC MOSFET芯片嵌入PCB內部實(shí)現較低的電感路徑和共模電容。文獻[10]搭建了如圖4所示的模塊，該模塊具有30 mm×30 mm×2 mm厚的 PCB，上下表面為105μm銅平面，模塊邊緣有16個(gè)去耦電容。為了在阻抗測量期間對開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的換向單元進(jìn)行建模，在前環(huán)和后環(huán)中未填充的芯片位置通孔的加和減端之間實(shí)現了短路。測量連接器位于兩個(gè)自由邊上，因此只需反轉模塊即可測量前換向環(huán)路和后換向洛普阻抗。測量結果為前環(huán)的功率環(huán)路電感為0.23 nH，后環(huán)的電感為0.21 nH，因此采用嵌入式芯片技術(shù)的PCOC模塊可實(shí)現緊湊、高密度的功率模塊，同時(shí)可大幅降低回路的寄生電感，使其適用于具有快速導通和關(guān)斷時(shí)間的寬禁帶半導體器件（如SiC等）。

  3D封裝技術(shù)消除了模塊中的鍵合線(xiàn)，可以有效提高器件的功率密度，充分發(fā)揮SiC器件的高頻優(yōu)勢。同時(shí)采用3D封裝技術(shù)可以降低回路的寄生電感值，減小模塊體積，從而推進(jìn)電力電子器件走向高頻、高效、高功率密度。

2.3 DBC+PCB 混合封裝

  傳統焊接型模塊封裝使用覆銅陶瓷板(Direct Bonded Copper, DBC)，芯片只能在表面上布局，大電流回路面積使得降低模塊的寄生電感變得非常困難。

  因此CPES、華中科技大學(xué)等[11-12]將DBC工藝和PCB板相結合，在芯片上通過(guò)鍵合線(xiàn)的連接方式引到PCB板上，這樣可以直接在PCB 層間實(shí)現控制換流回路，通過(guò)減小模塊電流回路來(lái)減小寄生電感參數。

   弗吉尼亞理工大學(xué)的陳正等人采用如圖5 所示的DBC+PCB 混合封裝的橫截面結構，使用多層PCB來(lái)代替原有的聚酰亞胺-銅。通過(guò)切割PCB 來(lái)嵌入半導體芯片，使得PCB 和器件都可以連接到相同的DBC 基板上，隨后使用鍵合線(xiàn)將器件的頂部電極連接到PCB 上的頂部銅排。

  與傳統工藝相比，DBC+PCB混合封裝具有許多優(yōu)點(diǎn)。1）封裝的PCB層可以采用標準的PCB制造工藝，并且可以在單個(gè)回流焊工藝中與半導體芯片一起焊接到基板上，這大大簡(jiǎn)化了混合模塊的制造工藝。2）通過(guò)增加電路板的銅層和使用通孔、盲孔甚至埋孔通孔，可以在PCB上實(shí)現更復雜的布線(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)電流路徑可以更靈活地控制，同時(shí)提供了在模塊中嵌入柵極驅動(dòng)器電路的可能性。3）混合封裝技術(shù)通過(guò)減小電流回路面積來(lái)降低寄生電感參數。混合模塊的寄生電感僅為分立式TO-247封裝方式的10%~20%。同時(shí)與傳統的引線(xiàn)鍵合模塊相比，環(huán)路電感降低35%，模塊體積減小約40%。

  華中科技大學(xué)的黃志召設計了如圖6 所示的混合模塊，該結構包括AlN 陶瓷基板、FPC 和SiC 芯片。芯片通過(guò)FPC上的窗口焊接在底層DBC 上以提升散熱能力；芯片和FPC 同時(shí)焊接在DBC上，芯片的上表面電極經(jīng)由鍵合線(xiàn)連接在FPC 上，通過(guò)過(guò)孔來(lái)連接FPC 的上下層銅箔。由于換流回路經(jīng)過(guò)的導體存在于FPC 的不同導體層，且電流流向相反形成互感抵消回路；采用薄FPC 增強互感作用，從而可極大地降低主回路的寄生電感。

  該混合模塊通過(guò)下管換流回路的阻抗測試結果由該結果計算出主回路總電感為3.8nH。同時(shí)開(kāi)通關(guān)斷的du/dt分別為37.38 V/ns和37.65V/ns，可證明使用DBC+PCB混合封裝技術(shù)降低了模塊驅動(dòng)回路的寄生電感和共源電感。兩種混合封裝形式均可以有效降低模塊的寄生電感參數并提升模塊的散熱能力。

2.4 適用于單芯片的翻轉貼片封裝

  目前商業(yè)化的 SiC 功率芯片多為垂直型芯片，因此基于 BGA 的封裝技術(shù)，阿肯色大學(xué)的 SEAL 團隊提出了一種適用于單芯片的翻轉貼片封裝技術(shù)，將芯片背面電極通過(guò)金屬連接件翻轉到和芯片正面電極同一平面，使用焊錫固定各自電極（見(jiàn)圖 7）。

  翻轉貼片封裝省去了鍵合線(xiàn)和功率端子，可以有效降低模塊的體積，從而減小封裝中的材料成本。與常用的 TO-247 封裝相比，該封裝的體積減小至原體積的 7.02%，導通電阻降低 24%。

2.5 柔性 PCB+ 雙面燒結混合封裝

  雙面燒結技術(shù)與傳統的芯片焊接和引線(xiàn)鍵合組件相比可靠性更高。塞米控公司的 KASKO通過(guò)柵極和源焊盤(pán)布局、柵極焊盤(pán)位置和隔離、柵極電阻和芯片金屬化的調整，組裝了如圖 8 所示的具有極低電感（1.4 nH）的新型 1200 V/400 A SiC MOSFET 模塊。

  混合封裝模塊中芯片和柔性箔的DBC間的寄生電感為0.45nH，柔性箔到帶有螺旋彈簧的直流母線(xiàn)的連接間的寄生電感為0.85nH。

  柔性PCB+ 雙面燒結混合封裝與相同功率等級的傳統模塊相比，總寄生電感下降91.3%。而在動(dòng)態(tài)特性方面，混合封裝模塊開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中的du/dt 和di/dt分別為53 kV/μs 和67 kA/μs。同時(shí)與相同功率等級的62mmIGBT 模塊相比，混合封裝模塊的總開(kāi)關(guān)損耗僅為IGBT 模塊的20%。

2.6 平面互連技術(shù)

  為降低器件的導通電阻和寄生電感，西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)了平面互連技術(shù)SiPLIT（Siemens Planar Interconnect Technology）。采用平面互連技術(shù)的SiC器件如圖9所示。

  與引線(xiàn)鍵合方式相比，平面互連技術(shù)的芯片接觸面積高達90%，并提供了更大的橫截面。因此，采用平面互連技術(shù)芯片的封裝電阻降低了25%；此外與引線(xiàn)鍵合跨越的環(huán)路相比，互連的共面結構僅覆蓋了很小的電流環(huán)路區域，從而使互連的寄生電感降低了50%。SiPLIT技術(shù)能夠克服厚鋁線(xiàn)鍵合帶來(lái)的性能和可靠性限制。實(shí)驗結果證明該技術(shù)可以有效降低封裝中的電阻、電感和熱阻，并有效改善EMI性能。

3 高溫封裝技術(shù)

3.1 雙面散熱技術(shù)

  雙面封裝工藝通過(guò)在模塊芯片上下表面均焊接DBC 板或者使用銀燒結技術(shù)將芯片一面與DBC焊接、另一面連接鋁片來(lái)實(shí)現更好的散熱。雙面封裝技術(shù)不僅可以改善電路板邊緣場(chǎng)強分布，還可以降低EMI及橋臂中點(diǎn)的對地寄生電容，因而在新能源電動(dòng)車(chē)內部的模塊中有著(zhù)較強的應用需求。

  株洲中車(chē)的王彥剛等研發(fā)了具有雙面冷卻的650 V/600A SiC半橋DSC汽車(chē)電源模塊，將功率芯片的兩側粘合到具有隔離能力的平面部件上，金屬墊片直接粘合在芯片頂部，粘接界面通過(guò)焊接或銀燒結工藝形成。與單面冷卻無(wú)底板模塊相比，熱阻減少了30%。

  田納西大學(xué)的YANG等設計了一種具有雙面散熱的低寄生電感SiC 功率模塊（如圖10 所示），采用島式基板布局，與傳統封裝相比，新封裝的功率環(huán)路電感從6.59 nH 降低到2.6nH，降幅達到60%以上。

   CREE的LIANG設計了如圖11所示的雙面散熱模塊，兩個(gè)冷板（冷卻器）直接粘合到這些基板外部，從而允許模塊雙面集成散熱。采用相位橋接線(xiàn)電氣拓撲結構的電源開(kāi)關(guān)采用面朝上/面朝下互連配置。與傳統模塊相比，這一模塊將這些寄生效應相關(guān)的損耗降低了75%，模塊組件的雙面散熱將比熱電阻率降低到0.33 cm·2℃/W，與傳統模塊相比降低了38%。該模塊的電流密度達到220A/cm2，達到傳統模塊的1.52倍。

  與傳統封裝相比，雙面散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以有效降低模塊的熱阻，從而提升模塊的散熱能力及電流密度；進(jìn)而可以有效降低系統中散熱組件的體積，提升系統整體的功率密度。

3.2 低壓燒結工藝+銅線(xiàn)鍵合技術(shù)

  SiC的高溫特性在帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，也對封裝材料和工藝提出了新的要求。丹佛斯公司的HAUMANN[26]提出了一種低壓燒結工藝實(shí)現芯片連接，工藝上通過(guò)金屬化、頂部連接的金屬緩沖板（丹佛斯鍵合緩沖器DBB）以及銅線(xiàn)鍵合3種創(chuàng )新解決方案來(lái)實(shí)現。其中低壓燒結過(guò)程為：在連接部件間涂上銀漿，隨后施加壓力，在致密銀層和連接件（例如DCB基板）之間產(chǎn)生穩固的連接；其次，采用銅線(xiàn)鍵合使電流容量增加37%。應用該技術(shù)的400 V/150 A 模塊功率循環(huán)能力提高了1.5倍，達到600000次循環(huán)，極大地提升了模塊的可靠性。

  目前常用錫片或錫膏作為芯片和DBC 板間的連接劑，其工藝成熟簡(jiǎn)單，但焊錫的熱導率較低且會(huì )隨溫度變化，對于高溫工況的SiC 器件適用性較差，焊錫層的可靠性問(wèn)題易造成模塊失效。BOETTGE[27]使用燒結銀連接（LTJT）和瞬態(tài)液相焊接（TLPS）技術(shù)，有效降低了焊料層的空洞率。

  高溫封裝技術(shù)采用了銅線(xiàn)鍵合技術(shù)、LTJT及TLPS技術(shù)，有效提升了模塊的電流容量，降低了焊料層的空洞率，從而有效提升模塊在各類(lèi)高溫工況下的可靠性。

4 新型封裝結構和高溫封裝技術(shù)總結

  通過(guò)分析以上幾種低寄生電感的新型封裝結構和高溫封裝技術(shù)，可以發(fā)現雖然SiC功率器件的高速開(kāi)關(guān)特性實(shí)現了新型電力電子裝備的高可控性和低開(kāi)關(guān)損耗（即高轉換效率），但是高開(kāi)關(guān)速度的實(shí)現依賴(lài)于低電感布線(xiàn)等新技術(shù)。8種技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)如表1所示。

  由表1可知，芯片無(wú)應力封裝、3D封裝、DBC+PCB混合封裝、柔性PCB+雙面燒結混合封裝和平面互連技術(shù)均可降低模塊的封裝寄生電感；其中柔性PCB+雙面燒結混合封裝技術(shù)降低寄生電感的幅度更大，達到91.3%；平面互聯(lián)技術(shù)和反轉貼片封裝技術(shù)均可降低25%左右的導通電阻，雙面散熱技術(shù)可降低30%左右的熱阻。

5 SiC封裝的挑戰與展望

  隨著(zhù)我國開(kāi)始構建以新能源為主體的新型電力系統，需要電力電子裝備在電力系統各個(gè)層面起到關(guān)鍵支撐作用，SiC器件的應用將大大推動(dòng)電網(wǎng)柔性半導體化進(jìn)程，SiC器件在新型電力系統中應用前景廣闊。在可預見(jiàn)的未來(lái)，電力電子器件將向高頻、高效、高功率密度方向快速發(fā)展。

  在電力系統領(lǐng)域，隨著(zhù)對高電壓、大電流SiC器件需求的不斷增長(cháng)，業(yè)界對于模塊的封裝寄生電感、導通電阻、開(kāi)關(guān)損耗、熱阻等參數也提出了更高的要求，因此在封裝層面將需要導熱系數和熱膨脹系數優(yōu)良的封裝材料，寄生電感更低的新型封裝結構，多功能集成封裝模塊內部抗干擾以及更好的散熱方式等，這些要求對未來(lái)封裝技術(shù)的發(fā)展指出了方向。傳統硅基模塊的封裝技術(shù)在SiC 模塊中應用存在諸多問(wèn)題，隨著(zhù)基于SiC等寬禁帶半導體材料的模塊在市場(chǎng)中占比的提升，未來(lái)新型的封裝技術(shù)將重點(diǎn)聚焦于降低模塊的寄生電感和提升模塊的高溫可靠性這兩個(gè)方面。