【涨知识】碳化硅功率器件封装的三个关键技术

滤波器 2024-01-06 23:23

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碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件作为一种宽禁带器件，具有耐高压、高温，导通电阻低，开关速度快等优点。如何充分发挥碳化硅器件的这些优势性能则给封装技术带来了新的挑战：传统封装杂散电感参数较大，难以匹配器件的快速开关特性；器件高温工作时，封装可靠性降低；以及模块的多功能集成封装与高功率密度需求等。针对上述挑战，本文分析传统封装结构中杂散电感参数大的根本原因，并对国内外的现有低寄生电感封装方式进行分类对比；罗列比较现有提高封装高温可靠性的材料和制作工艺，如芯片连接材料与技术；最后，讨论现有多功能集成封装方法，介绍多种先进散热方法。在前面综述的基础上，结合电力电子的发展趋势，对 SiC 器件封装技术进行归纳和展望。

近20多年来，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。与硅相比，碳化硅具有很多优点，如：碳化硅的禁带宽度更大，这使碳化硅器件拥有更低的漏电流及更高的工作温度，抗辐照能力得到提升；碳化硅材料击穿电场是硅的 10 倍，因此，其器件可设计更高的掺杂浓度及更薄的外延厚度，与相同电压等级的硅功率器件相比，导通电阻更低；碳化硅具有高电子饱和速度的特性，使器件可工作在更高的开关频率；同时，碳化硅材料更高的热导率也有助于提升系统的整体功率密度。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，而现有的传统封装技术应用于碳化硅器件时面临着一些关键挑战。

碳化硅器件的结电容更小，栅极电荷低，因此，开关速度极快，开关过程中的 dv/dt 和 di/dt 均极高。虽然器件开关损耗显著降低，但传统封装中杂散电感参数较大，在极高的 di/dt 下会产生更大的电压过冲以及振荡，引起器件电压应力、损耗的增加以及电磁干扰问题。在相同杂散电容情况下，更高的dv/dt 也会增加共模电流。

针对上述问题，国内外学者们研究开发了一系列新的封装结构，用于减小杂散参数，特别是降低杂散电感。除开关速度更快外，碳化硅器件的工作温度可达到 300℃以上。而现有适用于硅器件的传统封装材料及结构一般工作在 150℃以下，在更高温度时可靠性急剧下降，甚至无法正常运行。解决这一问题的关键在于找出适宜高温工作的连接材料，匹配封装中不同材料的热性能。此外，多功能集成封装技术以及先进的散热技术在提升功率密度等方面也起着关键作用。本文重点就低杂散电感封装、高温封装以及多功能集成封装 3 个关键技术方向对现有碳化硅功率器件的封装进行梳理和总结，并分析和展望所面临的挑战和机遇。

1、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，如图 1 所示。该方式首先通过焊锡将芯片背部焊接在基板上，再通过金属键合线引出正面电极，最后进行塑封或者灌胶。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。但是，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。表 1 列出了典型的碳化硅器件封装结构并进行分类，同时列出了相关封装方式的杂散电感参数大小。由表 1 可知，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。

1.1 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，如图 2 所示。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%。

1.2 DBC+PCB 混合封装

传统模块封装使用的敷铜陶瓷板(direct bonded copper-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。CPES、华中科技大学等团队将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。如图 3 所示，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%。

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。如图 4 所示为 Semikron 公司利用SKiN 封装技术制作的 1200V/400A 的 SiC 模块[11]。该技术采用柔性 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。

1.3 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。图 5 为 SiliconPower 公司采用端子直连(direct lead bonding，DLB)的焊接方法，类似的还有IR 的Cu-Clip IGBT，Siemens 的 SiPLIT 技术等。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。