碳化硅多芯片模块现状分析

SiC功率模块封装技术综述：挑战、进展和问题

本文作者Rao Tummala曾经担任IEEE组件封装制造技术主席以及国际微电子封装装协会的主席。

现代电力电子正面临着提高效率，同时减小系统尺寸和成本的巨大需求，适用于广泛的领域，包括电动汽车、可再生能源、工业电机和发电机以及配电网应用。为了跟上这种能源消耗的步伐，必须通过提高控制电机和发电机的电力电子设备的效率来降低驱动设备的工业电机和发电机的能耗，例如风扇、泵、压缩机和输送系统。节能需求也可以在其他应用中找到。在电动汽车应用中，效率直接影响车辆的性能，例如行驶距离。因此，提高效率，同时减少电动汽车动力总成系统的体积和重量，将有可能节省大量能源。随着风力涡轮机和太阳能电池板的安装迅速增长以及这些机器中电力电子设备效率的提高，预计会有显着的能量收益。

碳化硅(SiC)是一种宽带隙(WBG)半导体材料，已经显示出能够满足上述领域不断发展的电力电子器件的更高性能需求的能力。过去，硅(Si)一直是功率开关器件中使用最广泛的半导体材料。然而，随着硅基功率器件已接近其物理极限，进一步提高其性能正成为一个巨大的挑战。例如，阻断电压和工作温度分别限制在6.5kV和175°C，开关速度相对较慢。另一方面，由SiC制成的器件在过去几十年中已经从不成熟的实验室原型发展成为可行的商业产品，并且由于其引人注目的优势，如高击穿电压，高工作电场，高工作温度，高开关频率和低损耗，被认为是硅基功率器件的替代品。除了这些性能改进之外，基于SiC器件的电力电子设备有望通过最大限度地减少冷却要求和无源元件要求来减少系统的体积，从而有助于降低整体系统成本。SiC的这些优势与未来能量转换应用中电力电子的要求和方向非常吻合。尽管与硅基器件相比成本更高，但SiC器件将胜过硅基器件，因为它们带来的潜在系统优势足以抵消增加的器件成本。

虽然SiC半导体技术一直在快速发展，但功率模块封装技术似乎依赖于过去的惯例，这是一个经过验证的标准。但是，它并没有那么快地发挥新设备的全部潜力。SiC器件的封装主要基于陶瓷基板上的引线键合方法，这是形成多芯片模块(MCM)互连的标准方法，因为它易于使用且成本相对较低。然而，由于其封装固有的局限性，这种标准封装方法已被指出是转向更高性能系统的技术障碍。首先，封装的电气寄生效应过高，以至于在SiC器件的快速切换过程中会产生不必要的损耗和噪声。其次，封装的热阻过高，而热容量过低，限制了封装在稳态和瞬态下的散热性能。第三，构成封装的材料和组件通常与高温操作(>200°C)不兼容，从而在高温工作温度下降低热机械可靠性。最后，对于即将推出的高压SiC器件来说，承受高电场的能力是不够的。第二节将进一步阐述这些挑战的细节。总之，不是器件本身，而是功率模块封装是阻碍封装充分利用SiC组件优势的主要限制因素之一。因此，应尽最大努力了解未来SiC封装所需的功能，并相应地开发新的封装技术。

SiC器件的普及及其潜在的性能优势在电力电子的许多领域都有所体现。然而，最近商用的SiC功率模块采用标准方法封装，用于封装基于Si的器件，从而阻止了这些新型SiC器件充分利用其潜在优势。

从Si到SiC的转变需要在未来的功率模块中解决四个主要的封装挑战，即快速开关瞬变、热管理、HT操作和高压隔离。

审核编辑：汤梓红