SiC功率模塊封裝技術綜述：挑戰、進展和問題

本文作者Rao Tummala曾經擔任IEEE組件封裝制造技術主席以及國際微電子封裝裝協會的主席。

現代電力電子正面臨著提高效率，同時減小系統尺寸和成本的巨大需求，適用于廣泛的領域，包括電動汽車、可再生能源、工業電機和發電機以及配電網應用。為了跟上這種能源消耗的步伐，必須通過提高控制電機和發電機的電力電子設備的效率來降低驅動設備的工業電機和發電機的能耗，例如風扇、泵、壓縮機和輸送系統。節能需求也可以在其他應用中找到。在電動汽車應用中，效率直接影響車輛的性能，例如行駛距離。因此，提高效率，同時減少電動汽車動力總成系統的體積和重量，將有可能節省大量能源。隨著風力渦輪機和太陽能電池板的安裝迅速增長以及這些機器中電力電子設備效率的提高，預計會有顯著的能量收益。

碳化硅(SiC)是一種寬帶隙(WBG)半導體材料，已經顯示出能夠滿足上述領域不斷發展的電力電子器件的更高性能需求的能力。過去，硅(Si)一直是功率開關器件中使用最廣泛的半導體材料。然而，隨著硅基功率器件已接近其物理極限，進一步提高其性能正成為一個巨大的挑戰。例如，阻斷電壓和工作溫度分別限制在6.5kV和175°C，開關速度相對較慢。另一方面，由SiC制成的器件在過去幾十年中已經從不成熟的實驗室原型發展成為可行的商業產品，并且由于其引人注目的優勢，如高擊穿電壓，高工作電場，高工作溫度，高開關頻率和低損耗，被認為是硅基功率器件的替代品。除了這些性能改進之外，基于SiC器件的電力電子設備有望通過最大限度地減少冷卻要求和無源元件要求來減少系統的體積，從而有助于降低整體系統成本。SiC的這些優勢與未來能量轉換應用中電力電子的要求和方向非常吻合。盡管與硅基器件相比成本更高，但SiC器件將勝過硅基器件，因為它們帶來的潛在系統優勢足以抵消增加的器件成本。

雖然SiC半導體技術一直在快速發展，但功率模塊封裝技術似乎依賴于過去的慣例，這是一個經過驗證的標準。但是，它并沒有那么快地發揮新設備的全部潛力。SiC器件的封裝主要基于陶瓷基板上的引線鍵合方法，這是形成多芯片模塊(MCM)互連的標準方法，因為它易于使用且成本相對較低。然而，由于其封裝固有的局限性，這種標準封裝方法已被指出是轉向更高性能系統的技術障礙。首先，封裝的電氣寄生效應過高，以至于在SiC器件的快速切換過程中會產生不必要的損耗和噪聲。其次，封裝的熱阻過高，而熱容量過低，限制了封裝在穩態和瞬態下的散熱性能。第三，構成封裝的材料和組件通常與高溫操作(>200°C)不兼容，從而在高溫工作溫度下降低熱機械可靠性。最后，對于即將推出的高壓SiC器件來說，承受高電場的能力是不夠的。第二節將進一步闡述這些挑戰的細節。總之，不是器件本身，而是功率模塊封裝是阻礙封裝充分利用SiC組件優勢的主要限制因素之一。因此，應盡最大努力了解未來SiC封裝所需的功能，并相應地開發新的封裝技術。

SiC器件的普及及其潛在的性能優勢在電力電子的許多領域都有所體現。然而，最近商用的SiC功率模塊采用標準方法封裝，用于封裝基于Si的器件，從而阻止了這些新型SiC器件充分利用其潛在優勢。

從Si到SiC的轉變需要在未來的功率模塊中解決四個主要的封裝挑戰，即快速開關瞬變、熱管理、HT操作和高壓隔離。

審核編輯：湯梓紅