发布时间：2023-02-24
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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。 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99.9% 的纯铝线进行键合，对于一些难以键合的表面，一般 选择99.9% 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 。
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