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功率模块封装关键技术及发展趋势
发布时间：
2023-09-06 18:39
近几十年来，以新发展起来的第3代宽禁带功率半导体材料碳化硅(SiC)为基础的功率半导体器件，凭借其优异的性能备受人们关注。SiC与第1代半导体材料硅(Si)、锗(Ge)和第2代半导体材料砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、GaAsAl、GaAsP等化合物相比，其禁带宽度更宽，耐高温特性更强，开关频率更高，损耗更低，稳定性更好，被广泛应用于替代硅基材料或硅基材料难以适应的应用场合。
（1）禁带宽度更宽：SiC的禁带宽度比Si高3倍以上，使其能耐受的击穿场强更高（临界击穿场强是Si基的10倍以上），故器件能承受的峰值电压更高、能输出的功率更大。相同电压等级下，sic功率模块半导体器件的漂移区可以做得更薄，可使整体功率模块的尺寸更小，极大地提高了整个功率模块的功率密度。另外，导通电阻Ron与击穿场强的三次方成反比例关系，耐击穿场强的能力高，导通电阻小，减小了器件开关过程中的导通损耗，提升了功率模块的效率。
（2）耐温更高：可以广泛地应用于温度超过600 ℃的高温工况下，而Si基器件在600 ℃左右时，由于超过其耐热能力而失去阻断作用。碳化硅极大提高了功率器件的耐高温特性。
（3）热导率更高：SiC 器件的热导率比Si高3倍以上，高导热率提升了器件和功率模块的散热能力，减低了对散热系统的要求，有利于提高功率模块的功率密度。
（4）载流子饱和速率更高：SiC与Si相比，其载流子饱和速率要高10倍以上，而SiC器件的开关频率是Si基IGBT的5~10倍，增强了器件的高频能力。SiC器件不仅导通电阻Ron小，而且开关过程损耗也低，提升了功率模块的高频性能。
（5）临界位移能力更高：不仅SiC的临界位移能力比Si高2倍以上，而且SiC器件对辐射的稳定性比Si基高10~100倍，SiC基器件具备更高的抗电磁冲击和抗辐射破坏的能力。适合用于制作耐高温抗辐射的大功率微波器件。
然而，现有的封装技术大多都是沿用Si基器件的类似封装，要充分发挥碳化硅的以上性能还有诸多关键问题亟待解决。
由于sic功率模块功率模块封装关键技术及发展趋势的高频特性，结电容小，栅极电荷低，开关速度快，开关过程中的电压和电流的变化率极大，寄生电感在极大的di/dt下，极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗的增加和电磁干扰问题。
关于在高温、严寒等极端条件下可靠性急剧下降等问题，急需寻求适应不同工况的连接材料和封装工艺，满足不同封装形式的热特性要求。
针对模块内部互扰、多面散热、大容量串并联、制造成本和难度等问题，适当减少热界面层数，缩减模块体积，提升功率密度和多功能集成是未来的趋势。
采用先进散热技术、加压烧结工艺，设计功率半导体芯片一体化，优化多芯片布局等方式，起着一定的关键作用。
针对上述问题，国内外专家及其团队研发不同封装技术，用于提升模块性能，降低杂散参数，增强高温可靠性。
美国Wolfspeed公司研发出结温超过225 ℃的高温SiC功率模块，并将功率模块的寄生电感降低到5nH。美国GE公司的全球研究中心设计了一种叠层母线结构，构造与模块重叠并联的传导路径，使回路电感降至4.5nH。德国赛米控公司采用纳米银烧结和SKiN布线技术，研发出SiC功率模块的高温、低感封装方法。德国英飞凌公司采用压接连 接 技 术 ，研制出高压SiC功率模块。德国Fraunholfer研究所采用 3D 集成技术研制出高温（200 ℃）、低感（≤1 nH）SiC 功率模块。瑞士ABB公司采用3D封装布局，研制出大功率低感SiC功率模块。瑞士ETH采用紧凑化设计，优化功率回路，研制出寄生电感≤1 nH的低电感 sic功率模块。日本尼桑公司基于双层直接敷铜板（direct bonded copper，DBC）封装，研制出低感SiC功率模块，应用于车用电机控制器。
上述碳化硅的优良特性，只有通过模块封装布局的可靠性设计、封装材料的选型、参数的优化、信号的高效和封装工艺的改善，才能得以充分发挥。
本文中重点聚焦典型封装结构下，低杂散参数、双面散热模块下缓冲层的影响和功率模块失效机理等关键技术内容的梳理总结，最后展望了未来加压烧结封装技术和材料的发展。
1 模块封装形式
随着新兴战略产业的发展对第 3代宽禁带功率半导体碳化硅材料和芯片的应用需求，国内外模块封装技术也得到迅速发展，追求低杂散参数、小尺寸的封装技术成为封装的密切关注点，国内外科研团队和半导体产业设计了结构各异的高性能功率模块，提升了SiC基控制器的性能。
（1）传统封装：Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用传统Si基封装方式，功率等级较低，含有金属键合线，杂散电感较大。
（2）DBC+PCB混合封装：Cha等和Seal等把DBC和PCB板进行整合，通过键合线连接芯片和PCB板，研创出DBC+PCB混合封装。实现了直接在PCB层间控制换流回路，缩减换流路径来减小寄生电感。
（3）SKiN 封装：德国Semikron公司采用纳米银烧结和SKiN布线技术，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为1. 5nH。
（4）平面互连封装：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，降低了杂散电感参数，如 Silicon Power公司采用端子直连（DLB）、IR的Cu-Clip IGBT和Siemens的SiPLIT技术等。
（5）双面焊接（烧结）封装：在功率芯片两侧焊接DBC散热基板，为芯片上下表面提供散热通道；或者使用银烧结技术将芯片一面焊接DBC，另一面连接铝片。双面散热既能优化基板边缘场强，还能够降低电磁干扰（EMI），减小桥臂中点的对地寄生电容，使其具有损耗低、热性能好、制造成本低等优点。橡树岭实验室、中车时代电气、天津大学和CPES等可以将寄生电感降低至5nH。同时，铜烧结作为一种更低成本的芯片连接方案更被视为是未来几年的研究热点。目前双面散热技术主要应用在新能源电动车内部模块。
（6）压接封装：压接型器件各层组件界面间依靠压力接触实现电热传导，分为凸台式和弹簧式两类。与焊接型器件相比，压接封装结构模块具有高功率密度、双面散热、低通态损耗、抗冲击能力强、耐失效短路和易于串联等优点，而且采用数量较少的压接型模块便可满足换流时电压等级和容量需求，但由于密封等要求多采用LTCC陶瓷设计，成本较高，且压接封装结构复杂，目前只用于高压模块的制造，具有一定的应用市场。但离汽车领域的实际应用尚有一定的差距。
（7）三（3D封装：Tokuyama等和Herbsommer等将sic模块的上桥臂直接叠加在下桥臂上，由于SiC模块的结构是垂直型的，可以大幅缩短换流回路的物理长度，以进一步减少与di/dt相关的问题。
目前该封装技术最大的优势是可以将模块寄生电感降至1nH以下。还有将电压波动最大的端子放置在三维夹心结构的中间，使端子与散热器之间的寄生电容急剧降低，进而抑制了电磁干扰噪声。
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