2024
EVH1000
新能源车碳化硅
封装技术概述
电动车千人会
一、前言
随着新能源汽车的爆发式发展，碳化硅（SIC）在电机控制器、车载充电机及DC-DC转换器等关键零部件上的应用变得愈发重要。碳化硅以其高硬度、耐高温、耐磨、耐热震、耐腐蚀、良好导电性、导热性和电磁波吸收等特性，完美契合新能源车智能化、轻量化、集成化的发展趋势。相较于第一代半导体材料如Si，第三代半导体材料如SiC拥有更快的电子饱和漂移速度、更高的击穿场强、更宽的禁带宽度、更高的热导率及更强的抗辐照能力，从而满足功率模块的进一步需求。然而，新一代SiC功率模块因封装技术的限制，尚未充分发挥SiC半导体材料的优势。因此，SiC功率模块的封装技术，包括封装结构和材料，已成为各大研发机构亟待突破的关键领域。
EVH1000
SiC 功率模块封装材料
的分类与功能
针对功率模块的高频高速、高压大电流、高温、高散热和高可靠发展需求，SiC功率模块衍生出众多先进封装结构。然而，要充分发挥SiC半导体材料的性能优势，还需优化封装结构设计，并搭配合适的封装材料。以传统功率模块封装结构为例，封装材料主要分为陶瓷覆铜基板、散热底板、黏结材料、互连材料和灌封材料五类。这些封装材料各自扮演着重要角色：陶瓷覆铜基板作为功率模块的载体，提供电路连接，实现绝缘隔离，并作为散热通道，因此需具备优异的机械、电和散热性能；散热底板与陶瓷覆铜基板相连，传递热量，故需匹配热膨胀系数，并拥有出色的散热性能；黏结材料连接功率器件与基板、基板与散热底板，实现机械、电或热连接，需具备强抗蠕变和抗疲劳性能，以及高热导率、合适的熔融温度、电导率和热膨胀系数，同时保持低成本和环境友好；互连材料用于功率器件顶部电极、导体电路、输入输出端子之间的电气连接，因此需具备优异的导电和抗疲劳性能；灌封材料填充于各部件之间，保护脆弱部件免受侵蚀，起到绝缘和散热作用，故需具备出色的填充、耐蚀、绝缘和散热性能。
SiC 功率模块封装材料研究进展
随着SiC功率模块对高可靠性、大电流和高散热性能的需求日益增长，陶瓷覆铜基板正逐步向高强度、高绝缘、高导热以及厚铜（0.3mm以上）覆盖的方向发展。在陶瓷覆铜基板制造中，常用的陶瓷材料包括氧化铝、氮化铝、ZTA和氮化硅等。尽管氧化铝和氮化铝具有出色的绝缘性能，特别是氮化铝还具备极高的热导率，但这两种陶瓷材料的强度相对较低（通常低于400MPa），无法承载厚铜，因此难以满足SiC功率模块的高可靠性和大电流发展趋势。相对而言，ZTA和氮化硅具有较高的强度（通常高于600MPa），它们不仅能通过覆盖厚铜来承载更大的电流，还可以通过减少陶瓷厚度来降低热阻，从而更好地满足SiC功率模块的高可靠性、大电流和高散热发展需求。
ZTA覆铜板因成本低、可靠性高，在功率模块封装基板市场占有率高。而氮化硅覆铜板因其与SiC的热膨胀系数相匹配，成为SiC功率模块的首选，其市场占有率在SiC功率模块封装基板市场逐年上升。这两种陶瓷覆铜基板的卓越性能与陶瓷材料的固有特性紧密相连。目前，ZTA和氮化硅陶瓷材料的研究主要聚焦于烧结工艺和助烧剂的优化。研究团队采用流延成型和常压烧结工艺制备ZTA陶瓷，实验显示，随着ZrO2含量的增加，ZTA陶瓷的机械性能先增强后减弱，当ZrO2含量为20%时，其机械性能最佳，抗弯强度达865 MPa，断裂韧性为5.7 MPa·m1/2。此外，研究者还采用两步气压烧结工艺来提升氮化硅陶瓷的性能。首先，在1525℃下烧结3小时，促进氮化硅的α→β相变和致密化；随后，在1850℃下再烧结3小时，使其抗弯强度达到801 MPa，热导率提升至79.42 W/（m·K）。若在氮化硅原粉中引入MgO和自制YB2C2助烧剂（由Y2O3、B4C和C合成），并采用热压烧结工艺在1800℃/60 MPa条件下烧结2小时，氮化硅陶瓷的强度可高达1189.6±43.7 MPa，断裂韧性为9.46 ±0.14 MPa·m1/2，热导率为77 W/（m·K）。
随着SiC功率模块对高温、高效散热和高可靠性的需求日益增长，散热底板的设计也逐渐向高温适配、高导热和高强度方向发展。在实际应用中，铜基散热底板因热膨胀系数过大，在高温环境下易导致热应力失效等可靠性问题。相比之下，AlSiC散热底板材料因其可调的热膨胀系数、高热导率和高强度，更能满足SiC功率模块的发展趋势。目前，关于AlSiC散热底板材料的研究主要集中在制备方法上，主要分为原位合成法和外加法两类。原位合成法通过化学反应在制备过程中原位生成细小均匀的增强体，与基体相容性良好。而外加法，包括真空压力渗透法、熔融超高热等静压法、粉末冶金法和挤压铸造法等，虽工艺相对简单可控，但增强体与基体间的浸润性较差，界面结合力较弱。研究人员通过无压烧结与SPS烧结相结合的工艺，成功原位合成了SiC含量为20%的AlSiC材料，其抗拉强度达到172 MPa，热导率约为140W/（m·K）。此外，王书唯等采用干粉模压成型工艺制备碳化硅多孔预制坯，再利用真空压力渗铝法制备的AlSiC材料，热导率在176～206W/（m·K）之间，热膨胀系数为8～9.5×10-6/K，完全符合功率模块的应用需求。
随着SiC功率模块对高温、高可靠性的应用需求增长，黏结材料正朝着耐高温、高界面强度的方向发展。这些黏结材料主要应用于功率器件底部与陶瓷覆铜基板界面，以及陶瓷覆铜基板与散热底板界面。由于环保要求的无铅化，Sn-Ag-Cu逐渐替代Pb-Sn，在电子行业中得到广泛应用。然而，在功率模块的应用中，Sn-Ag-Cu存在明显不足：其不耐高温（回流温度仅达220～260 ℃），不耐腐蚀，且容易产生锡须和金属间化合物，这无法满足SiC功率模块的高温、高可靠性的发展趋势。针对上述问题，纳米金属黏结材料和瞬态液相黏结（TLP）材料应运而生。纳米金属黏结材料凭借纳米材料的尺寸效应，可实现低温黏结、高温服役的功能，其中纳米银浆最为常见。而瞬态液相黏结材料在高温加热时会形成少量液相，与母材形成黏结界面，包括Ag-Sn、Cu-Sn、Au-Sn、Au-In和Ag-In等材料。
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