基于碳化硅器件微系统封装研究进展

liuaqbb 2023-02-20 发布于北京

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摘要

SiC 由于其优越的材料性能,受到社会的广泛关注. 传统器件的封装形式制约 SiC 器件优势的充分发挥,为了解决电、热及绝缘方面的问题,近年来出现了许多对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案. 从 SiC 器件的模块微系统封装技术出发,对 SiC 器件的封装材料、模块封装结构、封装工艺和应用进行分类和总结,涵盖了提高耐高温能力、降低高频寄生电感、增强散热能力等一系列相关技术. 在此基础上,对 SiC 器件微系统所面临的科学挑战进行了总结,对相关技术的未来发展进行了展望.

1 引言

微系统集成技术利用三维加工技术和薄膜化制备工艺,在一个芯片上实现了微型传感单元、执行单元、微能源和微电子电路的集成,完成了微小型尺寸下的信息感知、处理、执行及传输. 宽禁带半导体的出现为微系统技术的发展提供了有效助力.

第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料,以 SiC 为代表且带隙宽度远大于 Si 和 GaAs. 具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能. 宽禁带半导体在移动通信、新能源汽车、能源互联网和国防军工等产业有广阔的应用前景,在传统产业自主创新和转型升级、国家安全等方面均起到核心支撑作用.

碳化硅（SiC）器件耐高温、高频、高效的优势在电力电子装置的研究中日益凸显,在系统中应用 SiC 器件,能有效降低转换和导通损耗、节省设备能量和成本、大幅提升功率密度.

本文从应用、封装材料、封装结构和封装工艺四个方向对现有碳化硅功率模块微系统封装进行分析与总结,并对碳化硅器件微系统封装所面临的挑战与机遇进行分析展望.

2 碳化硅的特点及应用

2.1 碳化硅的特点

相较于高压大功率 Si 基功率器件（IGBT）, SiC 更加适应于高压、高温、高频和高可靠性等应用领域,在电力电子、微波射频和光电子三大领域广泛应用. 加入三代半交流群，加VX：tuoke08。SiC 器件的优势主要表现在以下方面：

（1）在相同的电压和电流等级下,SiC 器件的比导通电阻约是 Si 器件的 1/1 000,这能够显著降低器件的导通损耗；

（2） SiC 器件的开关频率约是 Si 器件的 10 倍,这能够对电路中储能元件和设备进行优化,从而减小体积,减少贵重金属等材料的消耗；

（3）理论上 SiC 器件的工作温度可以达到 600 ℃ 以上的高温,同时抗辐射能力强,大大提升了系统的可靠性,也使 SiC 在能源转换领域有巨大应用潜力.

在微系统中采用 SiC 制作组件,能进一步缩小系统结构和体积,且重量减轻、损耗降低,SiC 技术对于微系统工艺尺寸的缩小有重要影响. 然而,SiC 的特性给 SiC 模块封装在频率、散热、可靠性等方面带来了巨大的挑战. 传统的引线键合限制了 SiC 电源模块的性能,易产生较大的寄生电容和寄生电感,在相同功率下对散热有更高的要求.

2.2 碳化硅器件的应用

SiC 功率器件由于在高温、高压、高频方面的突出优势,适用于对电力转换需求频繁、对转换组件质量和体积有要求、工作温度较高的场合. 目前主要应用在逆变器、车载充电机、电机驱动系统、轨道交通和军工等.

2.2.1 光伏逆变器

直流电路的输入电压范围一般是 450~1 000 V, Si MOSFET 的额定电压在 1 000 V 以下,因此光伏逆变器普遍采用 IGBT 器件. 但 IGBT 存在拖尾电流问题,它是造成开关损耗较大、开关频率难以上升的重要因素之一. 相比于 Si 光伏逆变器,SiC MOSFET 器件的耐压可以达到 1 200 V~1 700 V,工作频率工作频率在 100 kHz 以上,甚至可以达到数 MHz .

与 Si IGBT 相比,应用 SiC MOSFET 能够降低器件损耗,提升逆变器效率；降低电容、电感等无源元件的体积和重量,提升功率密度；提高逆变器的工作寿命和高温可靠性,降低散热器的体积和重量.

基于 SiC MOSFET 和 SiC 二极管,富士电机研发了一种 Boost 升压电路,能够将 1MW 光伏逆变器的转换效率从 98.5% 提高到 98.8%,减小 20% 体积；而三菱电机推出的全 SiC 光伏逆变器产品,可以使 4.4 kW 逆变器的转换效率达到 98% .

2.2.2 电动汽车

电动汽车由于环保、经济、易保养等优点,逐渐成为汽车行业新的发展趋势,但其续航里程短且充电时间长,未来将向着智能化、轻量化、集成化发展. 逆变器作为汽车的核心部件之一,能够控制汽车主电机提供所需的交流电,保证电动汽车的正常行驶.

由于新能源汽车的底盘空间尺寸较小、工作温度高,限制 Si IGBT 功率模块在电动汽车逆变器上的应用. 相比之下,SiC 功率器件对电能的转化效率更高、功率密度更大、频率更高、耐高温,大大提升了电池能量利用率,减少了电力转化模块的体积和质量,节省了散热组件,使新能源汽车在相同电池容量下续航里程更高 .

Wolfspeed 公司 2017 年发布的第 3 代 SiC MOSFET 器件,经测试 EV 驱动逆变器的损耗减少了 78%, 而英飞凌 2018 年推出的首款 SiC 二极管,可应用于 EV 和 HEV 的车载充电器.

2.2.3 列车牵引

将 SiC 器件应用在列车牵引系统的核心部件中, 不仅可以发挥 SiC 器件损耗小、耐受高频、高温及大电流的特点,同时也可以实现对整个牵引系统小型、轻量化的优化.

在牵引变压器中应用 SiC 器件,能够降低输出电流中的谐波含量、减少高频电流、降低牵引变压器的热负荷,从而实现脉冲整流器的高频化以及绕组、铁芯和冷却系统的小型、轻量化.

三菱电机设计的一种全 SiC VVVF 逆变器装置, 相较采用 Si GTO,采用全 SiC 逆变器后牵引系统在加速时的行驶用电量减少约 17%,制动电能再生率由原来的 34.1% 提高至 52.1%,系统整体实现了节能约 40% 的效果.

2.2.4 风力发电

风电变流器是风力发电系统的核心部件之一,通过整流和逆变将风能转变成稳定的电压和频率馈入电网,其对整个系统的发电效率、可靠性和安全性有重要影响. 基于 SiC MOSFET 的大功率逆变器不再使用拓扑串联结构,能够在 20 kHz 以上的开关频率中工作,显著提高工作效率并降低了成本.

对额定风速下的 2MW 双馈风电系统来说,相比 Si IGBT 两电平变流器,使用 SiC MOSFET 的效率要高 3.33%；而对于三电平变流器,SiC MOSFET 的效率相应地高 1.2% . 同时,SiC IGBT 器件的高耐压水平使高压变换器的拓扑结构得以简化,高压风力发电机有新的发展方向.

2.2.5 服务器

云计算、人工智能、物联网等高计算领域的爆发式发展,对数据中心的计算、存储、数据通信等方面有了更高的需求,而数据中心的高可靠性、高效节能成为配电系统的研究热点. SiC 具有反向恢复损耗小、导通电阻低、耐高温、高压等优点,被广泛应用在服务器电源的的 PFC 中. SiC 基器件可降低 70% 功率损耗,使效率高达 98.6%,同时能够缩小数据中心体积、降低建设成本、提高结温和环境温度,能够达到互连密度更高、信号传输路线更短、耦合电感更低的效果.

SiC 也可用于数据处理模块、存储管理模块、存储模块、存储接口模块等部分,使芯片间互连线更短,在微系统集成时,连线延迟可实现最小化. 相比其他普通器件,SiC 晶体管拥有更短的电端子间距、更低的电阻损耗,这极大地缩短电子转换时间,提升了散热性能.

3 碳化硅器件微系统封装技术

微系统封装主要基于集成电路工艺方法的进步, 发展趋势即系统级封装（SIP）技术. SIP 集成技术具有异质整合、互联密度高、互连距离短、功率低的特点,能够提升计算系统存储容量、总线带宽、处理性能,降低系统体积和功耗. SIP 通过三维异质集成基片和芯片,可以搭建具有良好性能的功能核心单元,实现芯片间的互联和防护 .

3.1 封装材料

SiC 功率模块封装材料包括基板材料、芯片贴片材料、键合材料等. 相比传统硅基功率模块 175℃ 的工作温度上限,SiC 功率模块的工作温度更高、工作电场更大,因此在热电可靠性方面,SiC 功率模块的封装材料要求更高.

在封装材料上,适用于高温高压电力电子封装的材料有三种：玻璃、水凝陶瓷和聚合物. 玻璃的烧成温度高,高杨氏模量也会导致较高的热机械应力；水凝陶瓷的杨氏模量和热膨胀系数较高,易产生较高应力并带来一系列可靠性问题.

而聚合物封装分为软封装和硬封装两类. 软封装材料以硅酮凝胶为代表,由于其高柔软性和高绝缘电气性能,被广泛应用于封装高压多芯片电源组件. 但商业上可用的高温硅胶连续运行的最高温度不超过 250℃,硅树脂弹性体可以延长范围到 275℃ . 硬封装中的聚合物相对坚硬,具有较低的 CTE 和较高的杨氏模量,在超过 300℃ 的温度下有高可靠性,但这种聚合物在在固化过程中气相沉积并产生空隙.

3.1.1 基板材料

相当一部分的无源元件、不同芯片或器件的互连,都通过基板来实现. 封装基板由两个金属层和一个绝缘层组成,中间的绝缘层通常为陶瓷层. 而基板材料主要分为陶瓷基板、金属基板和有机树脂基板. 表 1 列出了四种常用陶瓷材料的性能比较。 .

Al₂O₃ 的价格相对较低,是最经济的选择. 但Al₂O₃ 的热导率是常见材料中较低的,且热阻抗最高、机械强度中等；BeO 的导热系数最高,但对其加工时会形成对人体有害的尘埃颗粒；AlN 是一种比 Al2O3 导热系数高的安全材料,它的 CTE 与 SiC 更接近,但抗弯强度和热循环寿命的优势不突出；Si3N4 的热循环可靠性更高,但材料成本高、导热系数低.

随着基板连线向着高密度方向发展,在有机基板上集成技术开发是 SIP 技术的主要研究方向. 对于 SiC 器件封装,Si3N4 是较为合适的基板材料. 它有热膨胀系数与 SiC 相近,可以避免温度变化产生的应力；同时有较高的机械强度,可以实现 500 ℃ 的混合封装,适合单一 SiC 器件的封装.

3.1.2 芯片贴片材料

芯片连接材料有五种：环氧粘合剂、替代树脂、共晶芯片连接焊料、软焊和银玻璃材料. 有机化合物的替代树脂适用于低功耗 Si 器件,银填充的环氧树脂适用于 200 ℃ 以下的商用小信号设备.

目前芯片焊接材料多用锡基的软焊料,这种焊料存在以下缺点：（1）在工艺过程中,焊料易与铜形成脆性较大的金属间化合物,容易造成断裂等可靠性问题；（2）锡基的软焊料的熔点较低,制约了碳化硅功率器件优势的发挥. 可以使用银、铜等金属的微纳米颗粒取代锡基软焊料,利用尺寸效应,在低温下对其金属颗粒进行烧结,得到熔点很高的金属材料. 铜焊膏的材质与主要互连材料接近,且价格相对较低、热电性能和抗电迁移性能比较突出,近年来逐步成为热门材料. 特别是采用纳米铜颗粒作为介质实现铜-铜直接互连,在电子封装互连领域具备很大的发展前景 .

以 Au 为基础的钎焊合金是一种适合 SiC 器件封装的材料. 它们通常有很高的熔点,如 Au-Sn 合金的熔点为 280℃,而 Au-Ge 合金的熔点可达 356℃；同时钎焊共熔合金还有良好的导电性、热传导能力和固化后较强的粘合力.

银纳米颗粒也是一种很有潜力的 SiC 器件键合材料. 它有很强的热传导能力,在高温下能与 SiC 实现良好的兼容和匹配. 实验证实采用银纳米颗粒将 SiC 器件与 DBC 基板键合,其键合强度达到了 40 MPa 以上,工作温度高达 500 ℃.

3.1.3 键合材料

金属丝键合材料主要有 Al、Au、Pt 等几种金属材料,其中 Al 和 Au 是最常用的键合金属材料. 对于电流较大的功率器件来说,需要使用更粗的键合 Al 丝,因此除了纯 Al 丝外,还有一些合金材料. 如 AlMg 合金、Al-Si 合金等,其中 Mg、Si 的含量仅 1%. 实际应用表明无论在高温条件下还是抗疲劳试验中,Al-Mg 合金的电阻率都优于 Al-Si 合金；Al 丝与 Ni 电极的键合也是十分稳定可靠的. 在功率器件大电流的要求下,一般需要多根 Au 丝键合,Au 丝的高温稳定性优于 Al 丝. 而 Pt 的导电性较 Au 差,但在高温下能提高器件的机械强度.

由于功率器件封装要求不断提高,Cu 代替 Al 作为键合材料逐渐成为新的发展趋势. Cu 的导电、导热性能均优于 Al,且 Cu 与 Si 的热膨胀系数失配小于 Al. 但受 Cu 价格高、生产设备升级等因素影响, 目前多使用铝铜复合引线或铝铜复合带.

如图 1 所示为铝铜复合带键合的示意图. 这种铝铜复合材料的上面一层为铜,下层为铝. 上层的铜具有高质量稳定导电性能,并且能够避免由于热膨胀系数失配而带来的可靠性问题,由于不直接接触焊盘,对铜的纯净度要求可以适当降低. 下层的铝直接与芯片表面接触,成本更低、散热效果更好.

碳化硅器件在高温下仍能可靠工作依赖于材料, 在实际设计中,碳化硅器件的封装材料需要满足以下条件：（1）具有良好的导热性；（2）具有优良的绝缘特性；（3）热膨胀系数小,与碳化硅的热膨胀系数匹配；（4）耐高温,能在 300 ℃ 以上高温环境中保持稳定.

3.2 封装结构

随着产品向着高性能和小型化发展,裸芯片技术被广泛使用,如 COB（Chips on Board）技术和倒装芯片封装. 目前, WLCSP、SIP 和低温键合等封装技术已经逐渐成熟并被广泛应用,3D 组装、3D 折叠工艺、扇出晶圆级封装等技术已经实现创新. 由于 SiC 器件具有高速开关的特点,这使寄生电感在开关上易引起高压过冲和振荡问题,从而增加器件开关损耗和 EMI（电磁干扰）辐射. 这两种问题可以通过优化电流换向回路布局来解决. 具体有以下 3 种方式：

（1）采用混合封装结构；

（2）采用无线封装结构,如 DLB（直接导线键合）结构、SKiN 结构、嵌入式结构、SiPLIT（赛米控平面互连技术）和 2.5D 结构等；

（3）采用 3D 封装结构,如 CoC（片上芯片）结构和晶圆级封装结构等.

3.2.1 混合封装结构

混合封装结构基于引线键合和多层基板,设计了多层功率回路结构,模块的寄生电感由于互感抵消法则能够有效降低,相比平板结构,混合封装的的工艺更简单、成熟,目前是较为理想的高功率密度封装结构.

陈正等提出在二维引线键合多芯片 SiC 模块中采用三维引线框架,以增强每个开关设备的对称开尔文源连接 ,如图 2 所示. 该模块将去耦电容器集成到基板上,抑制开关振铃. 其中一个相腿中开关的 RDS（On）仅为 32 mΩ,比芯片总电阻高 5 mΩ；开关损耗仅为类似 Si IGBT 模块的 10~20% 左右,且在接近 200℃ 时,器件温度稳步上升,并未发生热失控和穿透现象.

在此基础上,阿肯色大学的王淼等人结合对称功率回路设计,使用“双端源”引线结构[,用两对直流母线从电源模块两端供电,如图 3 所示,有效减少循环电流并改善多芯片 SiC 模块中的动态电流共享. 虽然这些设计的外部连接采用 3D 引线框架,但整体模块设计仍由同一个 DBC 平面上的 2D 电源回路组成.

为了进一步减小结构中的功率回路寄生电感,陈才等人提出了 SiC 模块的混合封装结构,为降低寄生电感而减小了回路面积. 如图 4（a）所示,利用多层基板（DBC+DBC 或 DBC+PCB）来分离芯片和电流换向轨迹,芯片位于两层基板包围的“凹陷空间” 中 . 器件的顶部焊盘可以与相邻顶部基板层上的引线焊盘连接,电流将在顶部基板和底部基板之间进行交换,在不同层之间垂直移动,而不是在同一层 DBC 平面内循环 ,如图 4（b）所示. 这种模块可以在 10 ns 内切换,漏源极电压超调量仅为 2.5%,关断损耗仅为 22.3 µJ,模块的总寄生电感仅为 3.38 nH.

这些混合结构采用不同的回路设计并利用引线键合技术,大大降低了回路的寄生电感. 然而目前,混合封装结构仍存在一些可靠性问题,比如键合线的脱落、焊料层裂缝或 DBC 的铜层与陶瓷层分离等问题.

3.2.2 无引线封装

无引线封装是一种基于引线框架的晶片级封装, 它可以提高芯片的速度、降低热阻并减小贴装芯片所需要的 PCB 面积,体积小巧,适合高密度 PCB 采用. 其中包括 DLB 结构、SKiN 结构、嵌入式结构、 SiPLIT 和 2.5D 结构等. DLB 结构如图 5 所示 ,这种结构最大的特点是利用焊料直接将铜导线与芯片连接在一起,与引线键合技术相比,DLB 结构使用铜导线与芯片表面直接连接,以此降低寄生电感,且互连面积比较大,提高了可靠性. 三菱公司利用 DLB 结构开发的 IGBT 模块能够将内部电感降低至 57%,引线电阻减小 50%.

SKiN 结构采用双层柔软的 PCB 板作为电互连, 如图 6 所示 . 赛米控公司基于这种结构研发出了一种半桥功率模块, 将 8 个 50A SiC MOSFET 芯片并联,寄生电感小于 1.4 nH.

芯片嵌入式封装分为两类：陶瓷嵌入式和 PCB 嵌入式. 陶瓷嵌入式封装是将多种功率芯片嵌入一个陶瓷框架,并在芯片的铝衬垫上覆盖有通孔的介电层,之后在整个表面上沉积金属化多层膜,通过中间层上的孔洞和芯片上的铝垫形成接触,如图 7 所示. 与传统引线键合相比,寄生电感降低了 75%,散热性能提高了 44%,开关损耗从 25 µJ 升高到 48 µJ, 元器件封装减少了 47%,散热能力从5 W/cm³ 提高到 9 W/cm³ .

PCB 嵌入式封装是将超薄半导体与集成的无源组件一起嵌入 PCB 的堆积层中,利用激光钻孔和金属化微孔以减少大量的 PCB 板面焊接点,改善电气特性,降低成本.

侯凤泽等人提出了一种扇出式嵌板印刷电路板（PCB）封装 ,用于 SiC 金属氧化物 MOSFET 电源模块. 其主要由一对 SiC 模具（HS-MOS 和 LSMOS）、PCB 嵌入材料（BT 层压板）、可光成像电介质（PID）、电互连（种晶层,RDL,盲孔和通孔）组成,结构如图 8 所示. 封装材料选用三菱气体化工公司的覆铜层压板（CCL-HL832NSF）和预浸料（GHPL-830NSF）,复合介质材料使用一种新型 PID膜. 在 100 kHz 时,最大寄生电感约为1.24 nH,比引线键合降低至少 87.6%,热阻降低了约 26%,等效应力降低了约 45.2%.

SiPLIT 平面互连工艺如图 9 所示,这种结构在功率芯片与覆铜陶瓷板连接后,先利用真空层压工艺,在芯片表面制备一层可靠性比较高的绝缘薄膜,再淀积一层 50~200 µm 厚的铜来互连. 相比铝线键合,SiPLIT 与衬底的接触面积更大、散热和功率循环性能更好,可以降低 20% 的热阻以及 50% 的寄生电感.

这种结构在芯片与覆铜陶瓷板连接后,利用真空层压工艺,在芯片的正面制备一层高可靠性的绝缘薄膜,并在薄膜表面沉积一层 50~200 µm 厚的铜作为互连.

在 2.5D 结构中,衬底上集成了多种不同的功率芯片 ,如图 10 所示. 中间增加一层转接板来实现芯片间的互连,由于转接板与功率芯片间的距离非常近,通常选择耐高温的低温共烧陶瓷（LTCC）材料来作为转接板.

3.2.3 3D 结构

随电子系统复杂性和元件密度的增加,在平面上的封装密度已经很难有突破性的进展,因此必须利用垂直方向,三维封装技术应运而生 .

SIP 技术包括同构 3D 集成技术和异构 3D 集成技术. 同构 3D 集成技术主要用于大容量存储器的集成,相较于传统的内存技术,混合存储立方体拥有更大的系统总线带宽,可以高达前者的 15 倍,采用层叠式内存芯片和全新内存接口,能节省空间并提高能源利用效率. 异构 3D 集成技术可以增加功能密度,提升器件的可扩展性和灵活性,也能实现在性能、功耗和外形封装方面的创新突破 .

SiC 3D 互连包含功率芯片内建芯片封装（PCoC）、功率片上电感封装（PCoI）、微柱基夹层封装结构、晶圆级封装等.

功率芯片内建芯片（PCoC）封装通过两个 DBC 基片和四层 PCB 实现开关单元的电互连,直流链路和去耦电容直接集成在 PCB 上,如图 11 所示 . 与平面结构相比,PCoC 模块的寄生电感显著降低.

功率片上电感（PCoI）封装是功率 MOSFET 和低温共烧陶瓷电感（LTCC）的扇出式面板级 PCB 封装技术,如图 12 所示. 功率 MOSFET 和 LTCC 分别嵌入 PCB 的顶部和底部,通过堆叠形成3D 集成电源模块. MOSFET、栅极驱动器和无源元件通过再分布层和 PCB 过孔互连.

微柱基夹层封装结构将 Cu 微柱电镀在芯片顶部,再通过 Cu/Sn 瞬态液相（TLP）技术将芯片连接到顶部 DBC 基板上,芯片背部采用同样的方法与底部 DBC 基板互连,如图 13 所示. 微柱与 DBC 基板之间的互连有两种方案,一种是在微柱的顶部沉积一层 Sn（0.5 µm）来充当焊料；另一种是采用 Cu-Cu 连接,不需要额外的材料. 这种封装结构可以从两侧散热,也可以补偿多功率芯片模块中芯片之间的高度差异.

晶圆级封装技术利用化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、光刻和深度反应离子刻蚀等半导体制造工艺组装器件,将寄生电感降低到最小. 晶圆级铜键合工艺如图 14 所示,将大电流铜触点直接连接到 Si 器件上. 在模块中,上侧和下侧功率器件可以通过金属触点垂直连接,如图 15 所示.

另一种晶圆级封装利用硅通孔（TSVs）来连接栅极驱动芯片和功率芯片,如图 16 所示 . 通过焊接在电源设备表面焊盘上的导线来实现外部连接,光学或电子接收器的指令信号可以直接放置在模具表面.

柯俊吉等人提出了一种低轮廓、高功率密度的 62 mmSiC 电源模块封装方案 . 在布局、芯片布局和终端结果上的设计优化与传统的模块封装兼容.

首先在 DBC 基板、Cu 基板和 Cu 端子上电镀一层 4 µm 的薄 Ni,防止表面被氧化,以获得最佳的线连接或焊接. 为了获得高质量的芯片连接,采用真空回流焊工艺来避免组件的氧化 . 用带有框架和顶盖的石墨夹具来实现 DBC 基板和芯片之间的精准对齐,芯片连接后,利用自动重丝焊机将铝丝与芯片连接,工艺流程如图 17 所示.

对于 10 kW 以上的功率应用,主要使用功率模块封装. SiC 的模块配置又分为混合模块（SiC IGBT 和 SiC SBD）和全 SiC 模块（SiC MOSFET 和 SiC SBD）. 典型电源模块设计如图 18 所示,SiC 器件焊接在 DBC 基板上,芯片的顶部通过厚铝线连接到 DBC 基板和端子上；再将 DBC 基板焊接到 Cu 或 AlSiC 基板上,将塑料外壳粘在底板上. 最后在外壳内部填充软硅凝胶,提供电气绝缘和机械保护. 同时,为了良好散热,电源模块预先涂上导热膏,通过螺钉或夹具安装在散热器上.

传统封装主要采用引线键合和单边散热技术,针对这两大问题,SiC 模块的封装结构通过无引线互连、双面散热来减少寄生电容、寄生电感和增加散热,并且尝试在模块结构中采用去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等.

3.3 封装工艺

对于功率模块封装工艺来说,主要包括回流焊接、键合方式、点胶、灌胶、异质外延等.

3.3.1 回流焊接

一次回流焊接主要实现芯片和 DBC 的连接,多采用 SnAg 焊料, Sn∶Ag 成分比为 96.5∶3.5,这种焊料的熔点为 221 ℃；而二次回流焊接主要连接 DBC 和底板 ,多采用 SnAgCu 焊料 , Sn∶Ag∶ Cu 成分比为 96.5∶3∶0.5,熔点为 217 ℃ .

焊接过程主要分为 4 个阶段：

（1）预热区：PCB 和元器件的预热,使各部件达到热平衡状态,蒸发掉焊料中的溶剂和气体,同时使焊料软化、塌落、覆盖焊接区域. 预热阶段时要保证缓慢均匀升温,升温过快会对元器件造成损伤, 对元器件的热冲击要尽可能小.

（2）保温区：使各部件得到充分的预热,除去焊盘和焊料表面的氧化物,为回流过程做好准备,以防元器件因突然进入焊接高温区而损坏.

（3）焊接区：温度迅速上升使焊料达到熔化状态,使熔融的焊料润湿焊盘和元器件引脚,达到焊接要求.

（4）冷却区：在焊点凝固的同时细化晶粒,提高焊点强度. 与预热速度相比,冷却速度要略高,但过快的冷却速度会造成元器件热裂化.

焊接结束以后,需要检验焊接质量. 一次回流焊接后的芯片,多采用 X 光透射进行底部空洞率测试；二次回流焊接多采用超声扫描进行 DBC 底部空洞率测试. 单个空洞率一般要求不超过 1%,总空洞率不超过 3%.

芯片是功率模块的主要发热部位,芯片与 DBC 基板、DBC 基板与 Cu 底板之间的焊层影响着模块的散热效果. 焊层不但需要传递热量,同时还要承受芯片、基板和底板在温度循环过程中,因热膨胀系数不匹配而产生的热应力. 在实际生产过程中多采用真空回流焊接工艺来降低焊层的空洞率,以确保真空焊接的焊层质量 .

3.3.2 键合方式

键合一般分为金线、铜线和铝线键合,其中粗铝线（102~508 µm）键合在功率模块中比较常见. 铝线键合的外观如图 19 所示. 一般会对铝线表面进行处理,使其附上一定厚度的铜、镍等可键合金属,从而获得可键合性. 研究表明,面心立方结构的金属可键合性能较好.

对铝线键合而言,表面金属层的厚度一般要求大于 5 µm,因为键合的焊接影响深度约为 1% 线径,而对于一些需要进行电镀、化学镀工艺处理的键合表面,镀层厚度需要更大. 在生产中,一般选用 99.99% 的纯铝线进行键合,对于一些难以键合的表面,一般选择 99.999% 的纯铝线. 但这种铝线的长期可靠性不高,一般不用于生产高可靠性或军工级别的功率模块. 一般通过拉力和推力测试来确定键合点强度,键合点结合强度控制标准如表 2 所示 .

铝丝焊工艺的高柔性布局和既定质量推动了铜丝焊的发展,铜线键合技术是电力电子器件中连接大电流互连最有前景的技术之一. R.Schmidt 等人在铝之上使用铜材料进行引线键合,增加了 37% 的电流容量,最短的金属丝回路允许电流超过 20A,提高了导热性（比铝好约 80%）,铝铜线结合二极管的功率循环能力是铝线结合二极管的 3.7 倍,寿命增加了 22 倍. 另一种连接工艺是 Cu 与 Al 带连接,如图 20 所示 . 与引线键合相比,这种连接实现相同的互连电阻所需的带的数量更少,可以携带更高的电流,更好的功率循环能力.

压焊是采用压力接触代替线焊的一种封装方法 ,采用密封陶瓷外壳,通过刚性电极和应变缓冲器之间的外部夹持,利用物理接触压力来与芯片连接, 如图 21 所示. 为了减轻封装应力,通常使用 Mo 板.

铜夹焊键合是将传统的铝线键合中的铝用扁平的铜夹代替,如图 22 所示 . 由于铜的高导电性和高导热性,铜夹不仅可以降低寄生电感改善电源模块的开关特效,还提供一条从芯片上表面的热传导路径. 与传统引线键合相比,芯片到外壳的热电阻降低了约 23%,增加了 67% 的热交换面积,功率处理能力比传统引线键合 IGBT 提高了 200%,结壳热阻减少了 40%.

3.3.3 点胶

点胶工艺主要是对电子产品进行粘接密封加固以及防水保护,保证底板和壳体紧密连接,提供粘附性、导热性、导电性、结构完整性和保护性等,延长芯片的使用效果和工作寿命. 密封胶一般多采用 RTV-1 胶,表干时间为 3~4 h,可以在−60~200 ℃ 内长期使用. 3.3.4 灌胶灌胶的主要目的是提高内部元件和线路的绝缘性,同时对元器件进行保护,避免其直接暴露在环境中而受到灰尘、湿气、机械冲击等危害. 灌胶通常采用一种双组份硅凝胶,经 1∶1 混合后,一种组份作为交联剂,另一组份包含铂催化剂. 这种硅凝胶在常温下即可固化,拥有柔软性好、导热系数高、固化收缩率小等特点,能有效降低模块内部的应力. 胶体混合完成后,需要进行真空除气泡工艺,气泡的存在会影响硅凝胶的性能. 在实际生产过程中,一般利用加热来提高其固化速度.

SiC 器件展现出的优良特性以及半导体器件的需求持增长,激励着人们对其工艺和器件开发孜孜不倦地追求. 而随着 SiC 工艺的不断进步和更多 SIC 器件的市场化,人们也面临着更大的挑战,特别是 SiC 器件在成品率、可靠性、异质兼容等方面,仍然需要进一步的完善.

3.4 异质外延

微系统技术在深度摩尔和超越摩尔的共同推进下,正逐步向工艺节点小、集成密度高、结构框架软硬一体等方向发展. 作为实现芯片级系统平台的关键,异质集成技术即对不同材料、工艺的微纳器件在同一衬底上进行集成. 在 SiC 衬底上外延宽禁带半导体材料,能够充分发掘宽禁带半导体材料的潜力, 并对半导体电子器件的性能进行优化提升 .

SiC 衬底与 GaN 的晶格失配及热失配较小,且具有较高的击穿场强及热导率,在射频器件领域有更广泛的应用前景. 目前在 SiC 衬底上外延 GaN 存在衬底缺陷、Ga 原子浸润性差、晶格失配等问题,可以通过添加 AlN 缓冲层、图形化衬底、掩膜等方法对外延层质量进行改善.

SiC 衬底外延 Ga₂O₃ 在低频和高压领域有广阔的应用价值,其中晶相最稳定的是 β- Ga₂O₃ ,其导热性良好且晶格失配较小（1.3%）. 但目前对于 SiC 衬底外延 Ga₂O₃ 的研究尚停留在初步阶段,如何保证制备的晶相统一、表面平坦的单晶薄膜尚需进一步深入研究 .

4 结束语

基于微系统集成技术,集成电路向着单芯片多功能化的方向发展. 尽管 SiC 器件微系统在众多领域具有显著的优势和广泛应用的前景,但现阶段仍面临着一些挑战,如 SiC 微系统集成技术因工艺和外围限制受影响、现有的微系统封装结构散热困难和可靠性降低、SiC 微系统集成技术的研究和设计需要变革和创新等. 为了应对这些挑战,集成热管、双面散热、叠层羁绊等结构相继出现,通过减小高频开关电流回路的面积实现低杂散电感也是碳化硅微系统封装的一种技术发展趋势,但距离实现突破和大规模应用,还需要开展大量的工作.