【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

功率半導(dǎo)體在電力電子系統(tǒng)中占據(jù)核心的地位。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，硅（Si）半導(dǎo)體已經(jīng)接近理論性能極限，無法滿足越來越高的變換器性能要求。自21世紀(jì)以來，以碳化硅（Sic）為主的寬禁帶半導(dǎo)體受到越來越多的關(guān)注。碳化硅的禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強(qiáng)約為硅基材料的10倍，熱導(dǎo)率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。而同等耐壓下的漂移區(qū)電阻理論上可以降低到硅的1/300，在保證“高耐壓”能力的同時，實(shí)現(xiàn)“低導(dǎo)通電阻”“高開關(guān)速度”以及“高開關(guān)頻率”的特性。另外，碳化硅材料的帶隙寬度是硅的3倍，因此，碳化硅功率半導(dǎo)體芯片在高溫條件下也可以穩(wěn)定工作。

功率芯片通過封裝實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接，其性能的發(fā)揮則依賴著封裝的支持，在大功率場合下通常功率芯片會被封裝為功率模塊進(jìn)行使用。傳統(tǒng)的功率模塊封裝截面如下圖所示。其封裝方式足以滿足硅半導(dǎo)體的特性需求，但在將其應(yīng)用于碳化硅半導(dǎo)體時，則會遇到一些挑戰(zhàn)，限制了碳化硅半導(dǎo)體優(yōu)異特性的發(fā)揮。

碳化硅器件的這些優(yōu)良特性，需要通過封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)封裝技術(shù)應(yīng)用于碳化硅器件時面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

碳化硅器件的結(jié)電容更小，柵極電荷低，因此，開關(guān)速度極快，開關(guān)過程中的 dv/dt 和 di/dt 均極高。雖然器件開關(guān)損耗顯著降低，但傳統(tǒng)封裝中雜散電感參數(shù)較大，在極高的 di/dt 下會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt 也會增加共模電流。本期主要跟大家分享的是：先進(jìn)碳化硅（Sic）功率半導(dǎo)體封裝相關(guān)的內(nèi)容，希望有興趣的朋友可以加入一起交流學(xué)習(xí)，有遺漏或是不足之處，請海涵哦：

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當(dāng)前，在全球汽車電動化的浪潮下，汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的功率電子器件作為汽車電動化的核心部件，成為了車企和電機(jī)控制器Tire 1企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。車用功率模塊已從硅基IGBT為主的時代，開始逐步進(jìn)入以碳化硅MOSFET為核心的發(fā)展階段。

電動汽車行業(yè)發(fā)展至今，行業(yè)最關(guān)心的是續(xù)航里程。影響續(xù)航里程的因素有很多，包括電池容量、車身重量、電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化效率等。功率半導(dǎo)體是電能轉(zhuǎn)換的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)頻率和高工作耐壓等優(yōu)勢，能獲得更高的系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率，且在使得同等電量情況下，比使用硅基功率器件獲得更多的續(xù)航里程。因此電動汽車對于碳化硅功率器件的應(yīng)用需求日益凸顯。在電動汽車中，碳化硅功率器件的應(yīng)用主要為兩個方向，一個用于電機(jī)驅(qū)動逆變器（電機(jī)控制器），另一個用于車載電源系統(tǒng)，主要包括：電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）、車載充電系統(tǒng)（OBC）、車載空調(diào)系統(tǒng)（PTC和空壓機(jī)）等方面。

電動汽車整車系統(tǒng)中，動力電池的成本占比最高，約占整車成本的4-5成，在成本一定且電池技術(shù)路線確定的情況下，直接通過增加電池容量來提升續(xù)航里程的思路難以實(shí)現(xiàn)，在保證電池容量及技術(shù)路線不變的前提下，如何通過其他方法提升電能的轉(zhuǎn)化效率，降低電能損耗，實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程的提升，一直是行業(yè)在探索的問題。根據(jù)目前已知的行業(yè)數(shù)據(jù)，在電機(jī)控制器中用碳化硅MOS替換硅基IGBT后，會獲得電機(jī)控制器的效率的提升，NEDC工況下，對電池續(xù)航的貢獻(xiàn)提升在3%-8%之間，所以電控應(yīng)用對碳化硅器件的需求最為迫切。同時，在國內(nèi)新能源汽車市場大力推進(jìn)適應(yīng)高壓快充技術(shù)的高壓平臺上，硅基IGBT應(yīng)對起來就非常吃力，取而代之的是碳化硅MOS。這更加確定了碳化硅功率器件在下一代電控系統(tǒng)中的核心和不可替代性地位。近年來多家車企已開始全面采用碳化硅功率模塊，特斯拉的Model 3和Model Y、比亞迪的漢、蔚來的ET5和ET7、小鵬的G9和G6等車型相繼量產(chǎn)碳化硅電機(jī)控制器，整車的續(xù)航里程與加速性能都得到了顯著的提升。

碳化硅肖特基二極管、SiC MOSFET 器件則主要應(yīng)用于車載OBC、DC/DC、空調(diào)系統(tǒng)，主要影響充電效率和輔助系統(tǒng)用電效率、開關(guān)頻率等。◎車載充電機(jī)（OBC）為電動汽車的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對電池進(jìn)行充電， 碳化硅二極管及MOSFET器件則可用于車載充電機(jī)PFC和DC-DC次級整流環(huán)節(jié)，推動車載充電機(jī)向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發(fā)展?！螂娫崔D(zhuǎn)換系統(tǒng)DC/DC 是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉(zhuǎn)換，主要給車內(nèi)低壓用電器供電，如動力轉(zhuǎn)向、水泵、車燈等。

隨著整車智能化、電氣化的發(fā)展，對DCDC的供電功率及安全性提出了更高的要求?！蜍囕d空調(diào)系統(tǒng)中，在高壓平臺車型，因?yàn)榭焖俪潆娝鶐淼碾姵匕臒峒郏枰焖籴尫?。?dāng)前的技術(shù)是采用車載空調(diào)系統(tǒng)為電池包散熱，因此對于空壓機(jī)和PTC的頻率以及功率都有大幅提升的要求。而傳統(tǒng)的硅基IGBT和MOS器件已無法滿足，采用碳化硅MOS器件已勢不可擋。當(dāng)前，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美、歐、日三足鼎立態(tài)勢，碳化硅材料七成以上來自美國公司，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，日本則在碳化硅芯片、模塊和應(yīng)用開發(fā)方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢。中國目前已具備完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，在材料制備和封測應(yīng)用等部分環(huán)節(jié)具有國際競爭力。

碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件作為一種寬禁帶器件，具有耐高壓、高溫，導(dǎo)通電阻低，開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。如何充分發(fā)揮碳化硅器件的這些優(yōu)勢性能則給封裝技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)封裝雜散電感參數(shù)較大，難以匹配器件的快速開關(guān)特性；器件高溫工作時，封裝可靠性降低；以及模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求等。針對上述挑戰(zhàn)，本文分析傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中雜散電感參數(shù)大的根本原因，并對國內(nèi)外的現(xiàn)有低寄生電感封裝方式進(jìn)行分類對比；羅列比較現(xiàn)有提高封裝高溫可靠性的材料和制作工藝，如芯片連接材料與技術(shù)；最后，討論現(xiàn)有多功能集成封裝方法，介紹多種先進(jìn)散熱方法。在前面綜述的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力電子的發(fā)展趨勢，對 SiC 器件封裝技術(shù)進(jìn)行歸納和展望。近20多年來，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)作為一種寬禁帶功率器件，受到人們越來越多的關(guān)注。

與硅相比，碳化硅具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：碳化硅的禁帶寬度更大，這使碳化硅器件擁有更低的漏電流及更高的工作溫度，抗輻照能力得到提升；碳化硅材料擊穿電場是硅的 10 倍，因此，其器件可設(shè)計更高的摻雜濃度及更薄的外延厚度，與相同電壓等級的硅功率器件相比，導(dǎo)通電阻更低；碳化硅具有高電子飽和速度的特性，使器件可工作在更高的開關(guān)頻率；同時，碳化硅材料更高的熱導(dǎo)率也有助于提升系統(tǒng)的整體功率密度。碳化硅器件的高頻、高壓、耐高溫、開關(guān)速度快、損耗低等特性，使電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度朝著更高的方向前進(jìn)。碳化硅器件的這些優(yōu)良特性，需要通過封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)封裝技術(shù)應(yīng)用于碳化硅器件時面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。碳化硅器件的結(jié)電容更小，柵極電荷低，因此，開關(guān)速度極快，開關(guān)過程中的 dv/dt 和 di/dt 均極高。雖然器件開關(guān)損耗顯著降低，但傳統(tǒng)封裝中雜散電感參數(shù)較大，在極高的 di/dt 下會產(chǎn)生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應(yīng)力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt 也會增加共模電流。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者們研究開發(fā)了一系列新的封裝結(jié)構(gòu)，用于減小雜散參數(shù)，特別是降低雜散電感。

寫在最后面的話

碳化硅（Sic）功率器件已經(jīng)被認(rèn)為是下一代功率電子應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，其封裝技術(shù)同樣重要。從高溫穩(wěn)定性到模塊集成，再到環(huán)境因子和測試驗(yàn)證，封裝技術(shù)的研究和發(fā)展正與碳化硅（Sic）器件技術(shù)并行進(jìn)展。隨著兩者的進(jìn)一步完善，我們期待碳化硅（Sic）功率器件在未來功率電子應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

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審核編輯 黃宇