摘? 要

SiC MOSFET器件的集成化、高頻化和高效化需求，對(duì)功率模塊封裝形式和工藝提出了更高的要求。本文中總結(jié)了近年來(lái)封裝形式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，包括鍵合式功率模塊的金屬鍵合線長(zhǎng)度、寬度和并聯(lián)數(shù)量對(duì)寄生電感的影響，直接覆銅（DBC）的陶瓷基板中陶瓷層的面積和高度對(duì)寄生電容的影響，以及采用疊層換流技術(shù)優(yōu)化寄生參數(shù)等成果；綜述了雙面散熱結(jié)構(gòu)的緩沖層厚度和形狀對(duì)散熱指標(biāo)和應(yīng)力與形變的影響；匯總了功率模塊常見(jiàn)失效機(jī)理和解決措施，為模塊的安全使用提供參考。最后探討了先進(jìn)燒結(jié)銀技術(shù)的要求和關(guān)鍵問(wèn)題，并展望了燒結(jié)封裝技術(shù)和材料的發(fā)展方向。

前? 言

近幾十年來(lái)，以新發(fā)展起來(lái)的第3代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）為基礎(chǔ)的功率半導(dǎo)體器件，憑借其優(yōu)異的性能備受人們關(guān)注。SiC與第1代半導(dǎo)體材料硅（Si）、鍺（Ge）和第2代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、GaAsAl、GaAsP 等化合物相比，其禁帶寬度更寬，耐高溫特性更強(qiáng)，開(kāi)關(guān)頻率更高，損耗更低，穩(wěn)定性更好，被廣泛應(yīng)用于替代硅基材料或硅基材料難以適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

（1）禁帶寬度更寬：SiC 的禁帶寬度比Si高3倍以上，使其能耐受的擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高（臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si基的10倍以上），故器件能承受的峰值電壓更高、能輸出的功率更大。相同電壓等級(jí)下，SiC功率半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)可以做得更薄，可使整體功率模塊的尺寸更小，極大地提高了整個(gè)功率模塊的功率密度。另外，導(dǎo)通電阻R on 與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的三次方成反比例關(guān)系，耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)的能力高，導(dǎo)通電阻小，減小了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的導(dǎo)通損耗，提升了功率模塊的效率。

（2）耐溫更高：可以廣泛地應(yīng)用于溫度超過(guò)600 ℃的高溫工況下，而Si基器件在600 ℃左右時(shí)，由于超過(guò)其耐熱能力而失去阻斷作用。碳化硅極大提高了功率器件的耐高溫特性。

（3）熱導(dǎo)率更高：SiC器件的熱導(dǎo)率比Si高3倍以上，高導(dǎo)熱率提升了器件和功率模塊的散熱能力，減低了對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，有利于提高功率模塊的功率密度。

（4）載流子飽和速率更高：SiC與Si相比，其載流子飽和速率要高10倍以上，而SiC器件的開(kāi)關(guān)頻率是Si基IGBT的5~10倍，增強(qiáng)了器件的高頻能力。SiC器件不僅導(dǎo)通電阻R on 小，而且開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗也低，提升了功率模塊的高頻性能。

（5）臨界位移能力更高：不僅SiC的臨界位移能力比Si高2倍以上，而且SiC器件對(duì)輻射的穩(wěn)定性比Si基高10~100倍，SiC基器件具備更高的抗電磁沖擊和抗輻射破壞的能力。適合用于制作耐高溫抗輻射的大功率微波器件。

然而，現(xiàn)有的封裝技術(shù)大多都是沿用Si基器件的類似封裝，要充分發(fā)揮碳化硅的以上性能還有諸多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。

由于SiC器件的高頻特性，結(jié)電容小，柵極電荷低，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流的變化率極大，寄生電感在極大的 di/dt下，極易產(chǎn)生電壓過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象，造成器件電壓應(yīng)力、損耗的增加和電磁干擾問(wèn)題。

關(guān)于在高溫、嚴(yán)寒等極端條件下可靠性急劇下降等問(wèn)題，急需尋求適應(yīng)不同工況的連接材料和封裝工藝，滿足不同封裝形式的熱特性要求。針對(duì)模塊內(nèi)部互擾、多面散熱、大容量串并聯(lián)、制造成本和難度等問(wèn)題，適當(dāng)減少熱界面層數(shù)，縮減模塊體積，提升功率密度和多功能集成是未來(lái)的趨勢(shì)。采用先進(jìn)散熱技術(shù)、加壓燒結(jié)工藝，設(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體芯片一體化，優(yōu)化多芯片布局等方式，起著一定的關(guān)鍵作用。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)不同封裝技術(shù)，用于提升模塊性能，降低雜散參數(shù)，增強(qiáng)高溫可靠性。

美國(guó) Wolfspeed 公司研發(fā)出結(jié)溫超過(guò) 225 ℃的高溫SiC功率模塊，并將功率模塊的寄生電感降低到5 nH。美國(guó)GE公司的全球研究中心設(shè)計(jì)了一種疊層母線結(jié)構(gòu)，構(gòu)造與模塊重疊并聯(lián)的傳導(dǎo)路徑，使回路電感降至4. 5 nH。德國(guó)賽米控公司采用納米銀燒結(jié)和SKiN布線技術(shù)，研發(fā)出SiC功率模塊的高溫、低感封裝方法。德國(guó)英飛凌公司采用壓接連接技術(shù)，研制出高壓 SiC 功率模塊。德國(guó)Fraunholfer 研究所采用 3D 集成技術(shù)研制出高溫（200 ℃）、低感（≤1 nH）SiC功率模塊。瑞士ABB公司采用3D封裝布局，研制出大功率低感SiC功率模塊。瑞士ETH采用緊湊化設(shè)計(jì)，優(yōu)化功率回路，研制出寄生電感≤1 nH 的低電感 SiC 功率模塊。日本尼桑公司基于雙層直接敷銅板（direct bonded copper，DBC）封裝，研制出低感 SiC 功率模塊，應(yīng)用于車用電機(jī)控制器。

上述碳化硅的優(yōu)良特性，只有通過(guò)模塊封裝布局的可靠性設(shè)計(jì)、封裝材料的選型、參數(shù)的優(yōu)化、信號(hào)的高效和封裝工藝的改善，才能得以充分發(fā)揮。

本文中重點(diǎn)聚焦典型封裝結(jié)構(gòu)下，低雜散參數(shù)、雙面散熱模塊下緩沖層的影響和功率模塊失效機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的梳理總結(jié)，最后展望了未來(lái)加壓燒結(jié)封裝技術(shù)和材料的發(fā)展。

1 .模塊封裝形式

隨著新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)第3代寬禁帶功率半導(dǎo)體碳化硅材料和芯片的應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外模塊封裝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，追求低雜散參數(shù)、小尺寸的封裝技術(shù)成為封裝的密切關(guān)注點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)各異的高性能功率模塊，提升了SiC基控制器的性能。

（1）傳統(tǒng)封裝：Wolfspeed、Rohm 和 Semikron 等制造商大多延用傳統(tǒng)Si基封裝方式，功率等級(jí)較低，含有金屬鍵合線，雜散電感較大。

（2）DBC+PCB 混合封裝：Cha 等和 Seal 等把DBC和PCB板進(jìn)行整合，通過(guò)鍵合線連接芯片和PCB板，研創(chuàng)出DBC+PCB混合封裝。實(shí)現(xiàn)了直接在PCB層間控制換流回路，縮減換流路徑來(lái)減小寄生電感。

（3）SKiN封裝：德國(guó)Semikron公司采用納米銀燒結(jié)和SKiN布線技術(shù)，采用柔性 PCB板取代鍵合線實(shí)現(xiàn)芯片的上下表面電氣連接，模塊內(nèi)部回路寄生電感僅為1. 5 nH。

（4）平面互連封裝：通過(guò)消除金屬鍵合線，將電流回路從DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的層間布局，顯著減小了回路面積，降低了雜散電感參數(shù)，如Silicon Power公司采用端子直連（DLB） 、IR的Cu-Clip IGBT和Siemens的SiPLIT技術(shù)等。

（5）雙面焊接（燒結(jié)）封裝：在功率芯片兩側(cè)焊接DBC散熱基板，為芯片上下表面提供散熱通道；或者使用銀燒結(jié)技術(shù)將芯片一面焊接DBC，另一面連接鋁片。雙面散熱既能優(yōu)化基板邊緣場(chǎng)強(qiáng)，還能夠降低電磁干擾（EMI），減小橋臂中點(diǎn)的對(duì)地寄生電容，使其具有損耗低、熱性能好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室、中車時(shí)代電氣、天津大學(xué)和CPES等可以將寄生電感降低至5 nH。同時(shí)，銅燒結(jié)作為一種更低成本的芯片連接方案更被視為是未來(lái)幾年的研究熱點(diǎn)。目前雙面散熱技術(shù)主要應(yīng)用在新能源電動(dòng)車內(nèi)部模塊。

（6）壓接封裝：壓接型器件各層組件界面間依靠壓力接觸實(shí)現(xiàn)電熱傳導(dǎo)，分為凸臺(tái)式和彈簧式兩類。與焊接型器件相比，壓接封裝結(jié)構(gòu)模塊具有高功率密度、雙面散熱、低通態(tài)損耗、抗沖擊能力強(qiáng)、耐失效短路和易于串聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，而且采用數(shù)量較少的壓接型模塊便可滿足換流時(shí)電壓等級(jí)和容量需求，但由于密封等要求多采用LTCC陶瓷設(shè)計(jì)，成本較高，且壓接封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前只用于高壓模塊的制造，具有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。但離汽車領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用尚有一定的差距。

（7）三維（3D）封裝：Tokuyama等和Herbsommer等將SiC模塊的上橋臂直接疊加在下橋臂上，由于SiC模塊的結(jié)構(gòu)是垂直型的，可以大幅縮短換流回路的物理長(zhǎng)度，以進(jìn)一步減少與 di/dt相關(guān)的問(wèn)題。

目前該封裝技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以將模塊寄生電感降至1 nH以下。還有將電壓波動(dòng)最大的端子放置在三維夾心結(jié)構(gòu)的中間，使端子與散熱器之間的寄生 電容 急劇 降低，進(jìn) 而抑 制了 電磁 干擾噪聲。

功率模塊的典型封裝結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

2.低雜散電感封裝技術(shù)

目前，引線鍵合分為線材和帶材兩類，根據(jù)金屬特性不同，主要有Al、Cu和Au。鋁線是最基本的鍵合方式，鋁帶通流能力更強(qiáng)，強(qiáng)度更高，Au由于其成本較高，應(yīng)用相對(duì)較少，銅帶是未來(lái)的趨勢(shì)。其中柔性箔、鋁涂層銅線和頂部DBC-銅夾技術(shù)也具有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。

對(duì)于金屬引線鍵合式模塊的3維封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)降維處理，可以極大簡(jiǎn)化功率模塊結(jié)構(gòu)的仿真時(shí)間，將三維立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為2D平面結(jié)構(gòu)的研究為整體功率模塊的研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，如圖2所示。

本文中采用 ANSYS Q3D仿真軟件進(jìn)行模型寄生參數(shù)提取，以單條金屬鍵合線的長(zhǎng)度l和直徑d作為待優(yōu)化參數(shù)，仿真分析l和d對(duì)寄生電感的影響特性，如圖3所示。

各層的厚度 h 1 -h 7 和邊距 a 1 -a 3 為優(yōu)化參數(shù)，其中，a 3 是DBC結(jié)構(gòu)上層銅距離陶瓷層邊沿的距離，因?yàn)榻^緣性能、DBC小坑和阻焊等工藝的需求，a 3 普遍等于1 mm。傳統(tǒng)典型2維封裝結(jié)構(gòu)模塊各層寬度w和厚度h的具體尺寸如表1所示。

對(duì)于金屬引線鍵合式焊接的封裝結(jié)構(gòu)，寄生電感主要來(lái)自于鍵合線，其寄生電感可近似表示為

式中：l為鍵合線長(zhǎng)度，l= w 1 /2+a 1 ；μ 0 = 4 × 10 -7 ，是真空磁導(dǎo)率；d為鋁鍵合線的直徑。

參照文獻(xiàn)對(duì)鍵合線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)驗(yàn)證與式（1）的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果基本一致。

曾正等的研究表明，芯片功率回路的寄生電容主要由DBC陶瓷層的寄生電容決定，可表示為

式中：ε 0 = 8.85 × 10 -12 F/m ，表示真空介電常數(shù)；ε r =9 ，表示Al 2 O 3 陶瓷相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于陶瓷AIN和陶瓷Si 3 N 4 ，相對(duì)介電常數(shù)分別等于8. 8和6. 7。

寄生參數(shù)分布仿真結(jié)果如圖5所示，經(jīng)驗(yàn)證與式（1）和式（2）的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果基本一致。

由圖4和圖5還可明顯看出各個(gè)關(guān)鍵變量對(duì)寄生參數(shù)的影響規(guī)律。鍵合線長(zhǎng)度越短、直徑越大，寄生電感越小，其中鍵合線長(zhǎng)度對(duì)寄生電感影響更顯著；陶瓷層越厚、面積越小，寄生電容越小，其中陶瓷層厚度對(duì)寄生電容影響更顯著。

降低開(kāi)關(guān)器件換流回路中電流流通路徑所通過(guò)的面積，可以減小雜散電感，將上半橋SiC MOSFET的續(xù)流二極管和下半橋的SiC MOSFET進(jìn)行位置互換，減小換流路徑的導(dǎo)通面積，可降低雜散電感，如圖6所示，其仿真結(jié)果如圖7所示。

將功率模塊的封裝模型導(dǎo)入雜散參數(shù)提取軟件ANSYS. Q3D，依次采取網(wǎng)絡(luò)剖分、工況定義的步驟，設(shè)置激勵(lì)源（Source）和接地（Sink），并且分別把激勵(lì)源添加到功率模塊端子的表面，注意激勵(lì)源可以設(shè)置多個(gè)，但是接地只能一個(gè)，圖8是SiC模型的網(wǎng)格剖分圖。

牛利剛等研究表明，利用ANSYS. Q3D提取半橋功率模塊的寄生電感為20. 6 nH，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果是21. 23 nH，相差為0. 63 nH，即相對(duì)誤差為3%，證明了疊層功率模塊雜散電感的仿真提取方法的準(zhǔn)確性。

金屬鍵合線的寄生電感越小，寄生振蕩越輕微，開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程中的電壓沖擊越小，開(kāi)關(guān)速率越高，開(kāi)關(guān)損耗越?。慌c此同時(shí)，鍵合線的寄生電容也應(yīng)盡可能小，以抑制電磁干擾的影響。

L σ和 C σ 共同決定電磁干擾（EMI）噪聲的轉(zhuǎn)折頻率 f r ：

3. 雙面散熱技術(shù)

雙面散熱的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)可以通過(guò)取消金屬鍵合線，增加緩沖層并對(duì)緩沖層的形狀、材料、尺寸的優(yōu)化，可減小雜散電感，增加散熱途徑，降低功率模塊中芯片所承受的長(zhǎng)時(shí)間高溫危害，提高模塊的使用壽命。

根據(jù)雙面散熱結(jié)構(gòu)緩沖層的數(shù)量，分為無(wú)緩沖層、單層緩沖層、雙緩沖層3種，如圖9所示，其中無(wú)緩沖層和雙層緩沖層均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。緩沖層可有不同形式，其中有的采用金屬墊塊。文獻(xiàn)中研究了芯片發(fā)熱狀態(tài)下3種模塊所受最高結(jié)溫和金屬墊塊結(jié)構(gòu)所承受的熱應(yīng)力分布情況。

楊寧等的研究發(fā)現(xiàn)，不同金屬構(gòu)造的各部分熱應(yīng)力值如表2所示，而對(duì)應(yīng)的仿真云圖如圖10所示。其中單層金屬緩沖層因結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，對(duì)其上下應(yīng)力層需要單獨(dú)分析。

從仿真云圖中不難看出：無(wú)金屬墊塊緩沖層的雙面散熱結(jié)構(gòu)的最大等效熱應(yīng)力為99 MPa；單層金屬墊塊緩沖層的雙面散熱結(jié)構(gòu)的上基板最大等效熱應(yīng)力是109 MPa，下基板最大等效熱應(yīng)力是70 MPa，上下基板的最大等效應(yīng)力結(jié)果相差較大，主要與芯片和金屬層的熱膨脹系數(shù)、溫度差異有關(guān)；雙金屬層墊塊緩沖層的最大等效熱應(yīng)力為81 MPa。

陸國(guó)權(quán)等研究表明，隨著鉬塊厚度的增加，應(yīng)力緩沖效果明顯，應(yīng)變減小。雙面互連的 SiC MOSFET芯片最大von Mises應(yīng)力和納米銀互連層的最大塑性應(yīng)變均減小。同時(shí)，在緩沖層和上基板間燒結(jié)銀互連層中增加1 mm銀墊片可進(jìn)一步降低雙面互連結(jié)構(gòu)的芯片應(yīng)力和互連層應(yīng)變，提高雙面散熱SiC模塊的熱機(jī)械可靠性。

與方形緩沖層對(duì)比，圓柱形緩沖層可有效消除芯片和納米銀互連層應(yīng)力集中效應(yīng)，大幅降低 SiC芯片所承受的最大 von Mises應(yīng)力和燒結(jié)銀互連層的最大塑性應(yīng)變。采用圓柱形緩沖層時(shí)，納米銀層塑性應(yīng)變比采用方形緩沖層時(shí)的納米銀層的塑性應(yīng)變值減少了47. 5%。這主要是因?yàn)閳A柱形緩沖層邊緣過(guò)渡圓潤(rùn)，應(yīng)力分布更均勻，而方形緩沖層的邊緣或尖角易造成芯片和燒結(jié)銀互連層出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部熱應(yīng)力劇增。

雙面散熱引線鍵合式功率模塊如圖 11 所示。Nakatsu等研究表明，雙面散熱功率模塊的熱阻值比引線鍵合功率模塊約小50%；另外，它還具有優(yōu)異的電學(xué)性能。

Liang等研究表明，雙面散熱功率模塊的開(kāi)關(guān)損耗降低到商業(yè)功率模塊的10%，由于鍵合引線會(huì)使寄生參數(shù)數(shù)值較大，所以無(wú)鍵合線模塊，寄生參數(shù)數(shù)值大幅減小，SiC芯片的耐高溫、高頻特性優(yōu)勢(shì)得到極大發(fā)揮。

模塊封裝中的材料都具有一定的臨界熱應(yīng)力點(diǎn)，超過(guò)這一數(shù)值，就會(huì)出現(xiàn)斷裂失效的危險(xiǎn)。SiC功率模塊的襯底尺寸主要取決于芯片的面積大小，絕緣襯底常規(guī)厚度在0. 03 mm，翹曲率在3 mil/in，陶瓷材料用作絕緣襯底采用直接覆銅技術(shù)。金屬層邊緣采用臺(tái)階狀可有效減小應(yīng)力，臺(tái)階高度應(yīng)為銅層的一半。

基板主要趨勢(shì)是使用高性能材料，減少層數(shù)和界面的數(shù)量，同時(shí)保持電、熱和機(jī)械特性。絕緣金屬基板（IMS）和IMB基板僅用于中低功率模塊，如EV/HEV等。主流材料正逐漸從直接覆銅（DBC）轉(zhuǎn)向活性金屬釬焊（AMB），并采用高性能基材。雙面冷卻結(jié)構(gòu)將促進(jìn)在模塊的頂部使用第2個(gè)陶瓷基板/引線框架。

直接冷卻的基板，如銷鰭基板，減少熱界面的數(shù)量，避免使用熱界面材料（TIM）?；搴屠鋮s系統(tǒng)的集成以及冷卻模塊設(shè)計(jì)的部署和減少熱接口數(shù)量將是一個(gè)強(qiáng)大的趨勢(shì)，為未來(lái)幾年提供新的解決方案。封裝技術(shù)還需要具備高溫可靠性的陶瓷基板和金屬底板等相應(yīng)套件。

目前能適應(yīng)碳化硅設(shè)備更高運(yùn)行溫度的硅膠和環(huán)氧材料正在研發(fā)中。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和緊湊的模塊設(shè)計(jì)，在包括EV/HEV等許多應(yīng)用中，硅膠由于其低廉的價(jià)格，使用范圍更廣泛。環(huán)氧樹(shù)脂材料的應(yīng)用，仍受到高溫下可靠性的限制。

4.失效方式匯總

功率模塊的失效機(jī)理主要集中在電氣、溫度、材料、化學(xué)等各個(gè)方面，如圖12所示。

功率模塊常見(jiàn)的損壞有過(guò)流損壞、過(guò)熱損壞和過(guò)壓損壞等，過(guò)流損壞為流經(jīng)功率模塊的電流超過(guò)耐流值，過(guò)流沖擊導(dǎo)致芯片發(fā)熱嚴(yán)重，超過(guò)結(jié)溫耐溫值，從而損壞芯片。過(guò)壓損壞為加在SiC MOSFET的漏極（G）和源極（S）間電壓 U GS 大于耐壓值，使得器件極間擊穿損壞。

保障功率模塊的安全運(yùn)行，不僅要考慮功率模塊電流電壓的可承受范圍，還須考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)添加后，避免導(dǎo)通電路出現(xiàn)短路問(wèn)題和上下橋臂直通等故障。因此，可以通過(guò)增加檢測(cè)保護(hù)電路和對(duì)控制程序進(jìn)行優(yōu)化來(lái)保障功率模塊的安全運(yùn)行。

各種原因?qū)е碌墓β誓K的真實(shí)失效現(xiàn)象如圖13~圖19所示。其中功率模塊里的續(xù)流二極管發(fā)生短路和集電極-發(fā)射極擊穿燒斷等是常見(jiàn)的失效現(xiàn)象。

對(duì)功率模塊通過(guò)均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂作為熱界面材料（TIM）已經(jīng)不能滿足要求，采用金屬燒結(jié)等方法是下一步的研究方向，另外增加散熱器、風(fēng)扇和溫度傳感器等可有效防止過(guò)熱問(wèn)題。增加電流互感器檢測(cè)器件與RC緩沖電路和對(duì)程序驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行優(yōu)化等措施可有效解決過(guò)流問(wèn)題。通過(guò)母線電壓采集，進(jìn)行對(duì)比保護(hù)等可有效解決過(guò)壓?jiǎn)栴}。

5.先進(jìn)技術(shù)展望

基于焊接與引線鍵合的傳統(tǒng)材料工藝存在熔點(diǎn)低、高溫蠕變失效、引線纏繞、寄生參數(shù)等無(wú)法解決的問(wèn)題，新型互連材料正從焊接向壓接、燒結(jié)技術(shù)發(fā)展。

與焊接式功率模塊相比，壓接式模塊的優(yōu)勢(shì)具體有以下幾點(diǎn)。

（1）焊接通過(guò)引線連接芯片和PCB板，在多次功率循環(huán)后容易老化脫落，造成模塊失效。而且，焊接層空洞增加熱阻，降低可靠性。壓接借助壓力將芯片壓在基板上，電流從銅板直接流過(guò)，提高可靠性。

（2）傳統(tǒng)焊接式多為單面散熱，而壓接式多為雙面散熱，可提升散熱性能，有利于器件性能的充分發(fā)揮。

（3）鍵合線和焊接層引入雜散參數(shù)，高頻特性下，電壓和電流易產(chǎn)生較大波動(dòng)，影響芯片串聯(lián)特性。

考慮到納米銀焊膏具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱性和優(yōu)良的延展性，且熔點(diǎn)顯著高于傳統(tǒng)焊料，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)利用納米銀焊膏將芯片和集電極鉬層燒結(jié)在一起，成功開(kāi)發(fā)出銀燒結(jié)壓接封裝器件，顯示出其在壓接型功率模塊的封裝應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)。

銀燒結(jié)封裝可以降低壓接型器件的導(dǎo)通電壓和通態(tài)損耗，減緩芯片與發(fā)射極鉬層間的接觸磨損，提升器件使用壽命。

目前燒結(jié)封裝技術(shù)在發(fā)展中仍然存在著不能忽略的問(wèn)題，同時(shí)也提出如下一些可行性方案。

（1）由于銀和SiC芯片背面材料熱膨脹系數(shù)不同引起的問(wèn)題，可通過(guò)添加金屬緩沖層來(lái)改善互連性能，但會(huì)增加功率模塊封裝工藝的復(fù)雜性和成本。采用滿足性能指標(biāo)和可靠性的燒結(jié)層代替緩沖層，成為研發(fā)的可行性方案。

（2）銀層的電遷移現(xiàn)象，不利于功率電子器件長(zhǎng)期可靠應(yīng)用。銅燒結(jié)既能滿足減少電遷移現(xiàn)象，又能夠降低成本，使其成為高溫模具連接材料的一種很有前途的替代品。

（3）優(yōu)化燒結(jié)工業(yè)，創(chuàng)新燒結(jié)方案，縮減預(yù)熱、燒結(jié)時(shí)長(zhǎng)，提升生產(chǎn)效率；流水線工作，提升可制造性和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的靈活性。

（4）與無(wú)壓燒結(jié)相比，低壓燒結(jié)可靠度和散熱性能較好。雖然部分廠商已解決壓力問(wèn)題，但是燒結(jié)過(guò)程中的致密性、連接層的溫控和極限環(huán)境中性能退化問(wèn)題還尚待解決。

上述問(wèn)題的解決需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)攻關(guān)，部分問(wèn)題隨著技術(shù)進(jìn)步將逐步得到解決。盡管當(dāng)前模塊封裝幾乎全是以連線鍵合方式為主，預(yù)計(jì)未來(lái)3~5年銀燒結(jié)封裝技術(shù)會(huì)是功率模塊互連的主流技術(shù)。由于銀離子遷移對(duì)互聯(lián)結(jié)構(gòu)有負(fù)面影響，加之成本和熱應(yīng)力適配需求，與銀燒結(jié)技術(shù)類似的瞬時(shí)液相燒結(jié)（TLPS）、銀銅燒結(jié)、銅燒結(jié)技術(shù)和相應(yīng)的焊漿材料也在快速發(fā)展，部分技術(shù)瓶頸有望在近幾年突破。芯片貼裝、基板連接、模塊與散熱器的連接等都是燒結(jié)技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍。

6 . 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析和綜述了碳化硅功率模塊封裝中的 4 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（1）總結(jié)歸納了結(jié)構(gòu)各異的低雜散參數(shù)模塊封裝形式，列舉闡述各模塊性能優(yōu)勢(shì)；（2）聚焦典型封裝結(jié)構(gòu)下，分析概括鍵合式功率模塊的金屬鍵合線長(zhǎng)度、寬度和并聯(lián)根數(shù)對(duì)寄生電感影響，直接覆銅（DBC）陶瓷基板中陶瓷層的面積、高度對(duì)寄生電容的影響，以及采用疊層換流技術(shù)優(yōu)化寄生參數(shù)等成果；（3）在封裝模塊散熱方面，綜述了雙面散熱結(jié)構(gòu)的緩沖層厚度和形狀對(duì)散熱和應(yīng)力形變的影響；（4）匯總了功率模塊常見(jiàn)失效圖譜和解決措施，為模塊的安全使用提供參考。最后探討了先進(jìn)燒結(jié)銀技術(shù)的需求和關(guān)鍵問(wèn)題，并展望了燒結(jié)封裝技術(shù)和材料發(fā)展方向。

作者：蔡蔚?楊茂通?劉洋?李道會(huì)

（哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院上海蔚來(lái)汽車有限公司）

審核編輯：湯梓紅