碳化硅功率器件封装技术的3个关键材料-烧结银

近20多年来，碳化硅(SiC)作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。碳化硅器件的高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性，使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向前进。

碳化硅器件的这些优良特性，需要通过封装与电路系统实现功率和信号的高效、高可靠连接，才能得到完美展现，这对碳化硅功率器件的封装关键技术也提出了更高的要求。以下将对碳化硅功率器件封装技术的低杂散电感封装、高温封装以及多功能集成封装3个关键技术方向进行梳理和总结。

低杂散电感封装技术

目前已有的大部分商用SiC器件仍采用传统Si器件的封装方式。传统封装技术成熟，成本低，而且可兼容和替代原有Si基器件。但传统封装结构导致其杂散电感参数较大，在碳化硅器件快速开关过程中造成严重电压过冲，也导致损耗增加及电磁干扰等问题。

而杂散电感的大小与开关换流回路的面积相关。其中，金属键合连接方式、元件引脚和多个芯片的平面布局是造成传统封装换流回路面积较大的关键影响因素。消除金属键合线可以有效减小杂散电感值，将其大小控制在5nH以下。下面就其中典型的封装结构分别进行介绍。

① 单管翻转贴片封装

阿肯色大学团队借鉴BGA的封装技术，提出了一种单管的翻转贴片封装技术。该封装通过一个金属连接件将芯片背部电极翻转到和正面电极相同平面位置，然后在相应电极位置上植上焊锡球，消除了金属键合线和引脚端子。相比于TO-247封装，体积减小了14倍，导通电阻减小了24%。

② DBC+PCB混合封装

传统模块封装使用的敷铜陶瓷板(DBC)限定了芯片只能在二维平面上布局，电流回路面积大，杂散电感参数大。然而，将DBC工艺和PCB板相结合，利用金属键合线将芯片上表面的连接到PCB板，控制换流回路在PCB层间，大大减小了电流回路面积，进而减小杂散电感参数。该混合封装可将杂散电感可控制在5nH以下，体积相比于传统模块下降40%

▲DBC+PCB混合封装▲

柔性PCB板结合烧结银工艺的封装方式也被用于商业模块中。采用柔性PCB板取代键合线实现芯片的上下表面电气连接，模块内部回路寄生电感仅有1.5nH，开关速度大于50kV/s，损耗相比于传统模块可降低50%。

该混合封装方式结合了2种成熟工艺的优势，易于制作，可实现低杂散电感以及更小的体积。但PCB板的存在限制了上述封装方式高温运行的可靠性

③ 芯片正面平面互连封装

除采用柔性PCB板取代金属键合线外，还可使用平面互连的连接方式来实现芯片正面的连接。平面互连的方式不仅可以减小电流回路，进而减小杂散电感、电阻，还拥有更出色的温度循环特性以及可靠性。

用于SiC芯片的埋入式封装也可认为是一种芯片正面的平面直连封装。该方法将芯片置于陶瓷定位槽中，再用绝缘介质填充缝隙，最后覆盖掩膜两面溅射金属铜，实现电极连接。通过选择合理的封装材料，减小了模块在高温时的层间热应力，并能在279℃的高温下测量模块的正反向特性。

▲埋入式封装▲

平面直连的封装工艺通过消除金属键合线，将电流回路从DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的层间布局，显著减小了回路面积，可实现低杂散电感参数，与之后介绍的双面散热封装以及三维封装实现低杂散电感的基本思路相同，只是实现方式略有不同。

④ 双面散热封装技术

双面封装工艺由于可以双面散热、体积小，较多用于电动汽车内部IGBT的封装应用。双面散热封装SiC模块上下表面均采用DBC板进行焊接，所以可实现上下表面同时散热。

该工艺的难点在于，芯片上表面需要进行溅射或电镀处理使其可焊接，并且在芯片上表面增加金属垫片、连接柱等来消除同一模块中不同高度芯片的高度差。再加上SiC芯片普遍面积小，如何保证在上表面有限面积范围内的焊接质量是该工艺过程中的关键。得益于上下DBC的对称布线与合理的芯片布局，该封装可将回路寄生电感参数降到3nH以下，模块热阻相比于传统封装下降38%。

⑤ 三维(3D)封装技术

三维封装技术利用了SiC功率器件垂直型的结构特点，将开关桥臂的下管直接叠在上管之上，消除了桥臂中点的多余布线，可将回路寄生电感降至1nH以下。芯片表面首先经过镀铜处理，再借由过孔沉铜工艺将芯片电极引出，最后使用PCB层压完成多层结构。得益于PCB的母排结构，模块回路电感仅有0.25nH，并可同时实现门极的开尔文连接方式。该封装的功率密度极高，如何保证芯片温度控制是一大难点，外层铜厚和表面热对流系数对芯片散热影响很大。除功率芯片之外，无源元件如磁芯，电容等均可通过适当的方式嵌入PCB当中以提高功率密度。

由上述新型结构可以看出，为充分发挥SiC器件的优势，提高功率密度，消除金属键合线连接是一种趋势。通过采用各种新型结构，降低模块回路寄生电感值，减小体积是推进电力电子走向高频、高效、高功率密度的保证。

高温封装技术

在进行芯片正面连接时可用铜线替代铝线，消除键合线与DBC铜层之间的热膨胀系数差异，极大地提高模块工作的可靠性。此外，铝带、铜带连接工艺因其更大的截流能力、更好的功率循环以及散热能力，也有望为碳化硅提供更佳的解决方案。

锡片或锡膏常用于芯片和DBC板的连接，焊接技术非常成熟而且简单，通过调整焊锡成分比例，改进锡膏印刷技术，真空焊接减小空洞率，添加还原气体等可实现极高质量的焊接工艺。但焊锡热导率较低，且会随温度变化，并不适宜SiC器件在高温下工作。此外，焊锡层的可靠性问题也是模块失效的一大原因。

▲典型焊锡及烧结材料对比▲

烧结银连接技术凭借其极高的热导率，低烧结温度，高熔点等优势，有望取代焊锡成为SiC器件的新型连接方法。银烧结工艺通常是将银粉与有机溶剂混合成银焊膏，再印刷到基板上，通过预热除去有机溶剂，然后加压烧结实现芯片和基板的连接。为降低烧结温度，一种方法是增大烧结中施加的压力，但同时也增加了相应的设备成本，且容易造成芯片损坏；另一种方法是减小银颗粒的体积如采用纳米银颗粒，但颗粒加工成本高，所以很多研究继续针对微米银颗粒进行研究以得到合适的烧结温度、压力、时间参数来现更加理想的烧结效果。

此外，为确保碳化硅器件稳定工作，陶瓷基板和金属底板也需要具备良好的高温可靠性。不同材料间热膨胀系数差异越大，材料层间热应力就越高，可靠性越低。所以选用热导率高、热膨胀系数值和碳化硅材料相近的材料是提高封装可靠性和关键所在。