SiC作為第三代半導體材料具有優越的性能，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，SiC器件市場將高速增長。

根據Yole數據，2021-2027年，全球SiC功率器件市場規模將由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%，市場份額持續提升。

碳化硅功率器件封裝技術的挑戰

碳化硅器件的這些優良特性，需要通過封裝與電路系統實現功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現，如何充分發揮碳化硅器件的這些優勢性能則給封裝技術帶來了新的挑戰：

降低雜散電感。傳統封裝雜散電感參數較大，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，但傳統封裝中雜散電感參數較大，在極高的di/dt下會產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。

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。而現有適用于硅器件的傳統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。

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。

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Si器件的封裝方式。傳統封裝技術成熟，成本低，而且可兼容和替代原有Si基器件。但傳統封裝結構導致其雜散電感參數較大，在碳化硅器件快速開關過程中造成嚴重電壓過沖，也導致損耗增加及電磁干擾等問題。

為充分發揮SiC器件的優勢，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貼片封裝技術。該封裝通過一個金屬連接件將芯片背部電極翻轉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%。

②DBC+PCB混合封裝

傳統模塊封裝使用的敷銅陶瓷板(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，可將雜散電感可控制在5nH以下，體積相比于傳統模塊下降40%。

DBC+PCB混合封裝

柔性PCB板結合燒結銀工藝的封裝方式也被用于商業模塊中。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種成熟工藝的優勢，易于制作，可實現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

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，可實現低雜散電感參數，還擁有更出色的溫度循環特性以及可靠性。

埋入式封裝

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。將芯片置于陶瓷定位槽中，再用絕緣介質填充縫隙，最后覆蓋掩膜兩面濺射金屬銅，實現電極連接。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部IGBT的封裝應用。典型的雙面散熱封裝SiC模塊上下表面均采用DBC板進行焊接，所以可實現上下表面同時散熱。

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的焊接質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降到3nH以下，模塊熱阻相比于傳統封裝下降38%。

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，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模塊大大減小，共模電流也得到了很好的抑制。

用于IGBT的3D封裝示意圖

⑥高溫封裝技術

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、更好的功率循環以及散熱能力，也有望為碳化硅提供更佳的解決方案。

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，然后加壓燒結實現芯片和基板的連接。

高導熱、高可靠封裝材料。導熱系數高、線性膨脹系數和碳化硅材料（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）導熱系數高，熱膨脹系數接近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）熱膨脹系數最接近SiC，而且抗彎強度大，在熱循環中更不容易斷裂，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（DBA）以及活性金屬釬焊（AMB）等工藝也受到人們越來越多的關注。

⑦多功能集成封裝技術

多功能集成封裝技術。碳化硅器件的出現推動了電力電子朝著小型化的方向發展，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。

集成母線瓷片電容和驅動的SiC半橋模塊

驅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（IPM），將驅動芯片以及相關保護電路集成到模塊內部，并用于家電等設備當中。浙江大學團隊通過將瓷片電容、驅動芯片和1200VSiC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，極大地減小了驅動回路和功率回路的寄生電感參數。

散熱技術。散熱技術也是電力電子系統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。

審核編輯：湯梓紅