碳化硅功率器件封裝技術(shù)解析

第第頁(yè)碳化硅功率器件封裝技術(shù)解析碳化硅(siliconcarbide，SiC)功率器件作為一種寬禁帶器件，具有耐（高壓）、高溫，導(dǎo)通電阻低，開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。如何充分發(fā)揮碳化硅器件的這些優(yōu)勢(shì)性能則給封裝技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)封裝雜散電感參數(shù)較大，難以匹配器件的快速開(kāi)關(guān)特性；器件高溫工作時(shí)，封裝可靠性降低；以及模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求等。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文分析傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中雜散電感參數(shù)大的根本原因，并對(duì)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有低寄生電感封裝方式進(jìn)行分類對(duì)比；羅列比較現(xiàn)有提高封裝高溫可靠性的材料和制作工藝，如（芯片）連接材料與技術(shù)；最后，討論現(xiàn)有多功能集成封裝方法，介紹多種先進(jìn)散熱方法。在前面綜述的基礎(chǔ)上，結(jié)合（電力電子）的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)SiC器件封裝技術(shù)進(jìn)行歸納和展望。

近20多年來(lái)，碳化硅(SiliconCarbide，SiC)作為一種寬禁帶功率器件，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。與硅相比，碳化硅具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：碳化硅的禁帶寬度更大，這使碳化硅器件擁有更低的漏電流及更高的工作溫度，抗輻照能力得到提升；碳化硅材料擊穿電場(chǎng)是硅的10倍，因此，其器件可設(shè)計(jì)更高的摻雜濃度及更薄的外延厚度，與相同電壓等級(jí)的硅功率器件相比，導(dǎo)通電阻更低；碳化硅具有高電子飽和速度的特性，使器件可工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率；同時(shí)，碳化硅材料更高的熱導(dǎo)率也有助于提升系統(tǒng)的整體功率密度。碳化硅器件的高頻、高壓、耐高溫、開(kāi)關(guān)速度快、損耗低等特性，使電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度朝著更高的方向前進(jìn)。

碳化硅器件的這些優(yōu)良特性，需要通過(guò)封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和（信號(hào)）的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)封裝技術(shù)應(yīng)用于碳化硅器件時(shí)面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

碳化硅器件的結(jié)（電容）更小，柵極電荷低，因此，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。雖然器件開(kāi)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(huì)產(chǎn)生更大的電壓過(guò)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(wèn)題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt也會(huì)增加共模電流。

針對(duì)上述問(wèn)題，

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。

除開(kāi)關(guān)速度更快外，碳化硅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)可靠性急劇下降，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。解決這一問(wèn)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。此外，多功能集成封裝技術(shù)以及先進(jìn)的散熱技術(shù)在提升功率密度等方面也起著關(guān)鍵作用。本文重點(diǎn)就低雜散電感封裝、高溫封裝以及多功能集成封裝3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方向?qū)ΜF(xiàn)有碳化硅功率器件的封裝進(jìn)行梳理和總結(jié)，并分析和展望所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1、低雜散電感封裝技術(shù)

目前已有的大部分商用SiC器件仍采用傳統(tǒng)Si器件的封裝方式，如圖1所示。該方式首先通過(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。傳統(tǒng)封裝技術(shù)成熟，成本低，而且可兼容和替代原有Si基器件。但是，傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其雜散電感參數(shù)較大，在碳化硅器件快速開(kāi)關(guān)過(guò)程中造成嚴(yán)重電壓過(guò)沖，也導(dǎo)致?lián)p耗增加及電磁干擾等問(wèn)題。而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。表1列出了典型的碳化硅器件封裝結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分類，同時(shí)列出了相關(guān)封裝方式的雜散電感參數(shù)大小。由表1可知，消除金屬鍵合線可以有效減小雜散電感值，將其大小控制在5nH以下。下面就其中典型的封裝結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行介紹。

5結(jié)論

本文分析和探討了碳化硅器件封裝中的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

1）整理歸納了低雜散電感參數(shù)的新型封裝結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)原理上概括了其基本思路并列舉了一些典型封裝結(jié)構(gòu)；

2）總結(jié)了目前常用的一些高溫封裝方式和材料特性等，并指出高溫封裝中的關(guān)鍵性問(wèn)題和解決思路；

3）