SiC功率模塊封裝技術(shù)及展望*

蔡 蔚，楊茂通，劉 洋，李道會

（1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 150080；3.上海蔚來汽車有限公司，上海 201805）

前言

近幾十年來，以新發(fā)展起來的第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，開關(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強更高（臨界擊穿場強是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，極大地提高了整個功率模塊的功率密度。另外，導(dǎo)通電阻與擊穿場強的三次方成反比例關(guān)系，耐擊穿場強的能力高，導(dǎo)通電阻小，減小了器件開關(guān)過程中的導(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600℃的高溫工況下，而Si基器件在600℃左右時，由于超過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器件的開關(guān)頻率是Si基IGBT的5~10倍，增強了器件的高頻能力。SiC器件不僅導(dǎo)通電阻小，而且開關(guān)過程損耗也低，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，開關(guān)速度快，開關(guān)過程中的電壓和電流的變化率極大，寄生電感在極大的d/d下，極易產(chǎn)生電壓過沖和振蕩現(xiàn)象，造成器件電壓應(yīng)力、損耗的增加和電磁干擾問題。

關(guān)于在高溫、嚴寒等極端條件下可靠性急劇下降等問題，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的趨勢。采用先進散熱技術(shù)、加壓燒結(jié)工藝，設(shè)計功率半導(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。

針對上述問題，國內(nèi)外專家及其團隊研發(fā)不同封裝技術(shù)，用于提升模塊性能，降低雜散參數(shù)，增強高溫可靠性。

美國Wolfspeed公司研發(fā)出結(jié)溫超過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 GE 公司的全球研究中心設(shè)計了一種疊層母線結(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，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)用于車用電機控制器。

上述碳化硅的優(yōu)良特性，只有通過模塊封裝布局的可靠性設(shè)計、封裝材料的選型、參數(shù)的優(yōu)化、信號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理等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的梳理總結(jié)，最后展望了未來加壓燒結(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，國內(nèi)外科研團隊和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)計了結(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板進行整合，通過鍵合線連接芯片和PCB板，研創(chuàng)出DBC+PCB混合封裝。實現(xiàn)了直接在PCB層間控制換流回路，縮減換流路徑來減小寄生電感。

（3）SKiN封裝：德國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)化基板邊緣場強，還能夠降低電磁干擾（EMI），減小橋臂中點的對地寄生電容，使其具有損耗低、熱性能好、制造成本低等優(yōu)點。橡樹嶺實驗室、中車時代電氣、天津大學(xué)和CPES等可以將寄生電感降低至5 nH。同時，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幾年的研究熱點。目前雙面散熱技術(shù)主要應(yīng)用在新能源電動車內(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現(xiàn)電熱傳導(dǎo)，分為凸臺式和彈簧式兩類。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、耐失效短路和易于串聯(lián)等優(yōu)點，而且采用數(shù)量較少的壓接型模塊便可滿足換流時電壓等級和容量需求，但由于密封等要求多采用LTCC陶瓷設(shè)計，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。但離汽車領(lǐng)域的實際應(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度，以進一步減少與d/d相關(guān)的問題。目前該封裝技術(shù)最大的優(yōu)勢是可以將模塊寄生電感降至1 nH以下。還有將電壓波動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。

圖1 典型封裝結(jié)構(gòu)剖面圖

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，強度更高，Au由于其成本較高，應(yīng)用相對較少，銅帶是未來的趨勢。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。

對于金屬引線鍵合式模塊的3維封裝結(jié)構(gòu)，通過降維處理，可以極大簡化功率模塊結(jié)構(gòu)的仿真時間，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。

圖2 單面鍵合式結(jié)構(gòu)

本文中采用ANSYSQ3D仿真軟件進行模型寄生參數(shù)提取，以單條金屬鍵合線的長度和直徑作為待優(yōu)化參數(shù)，仿真分析和對寄生電感的影響特性，如圖3所示。

圖3 典型2維封裝結(jié)構(gòu)

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

表1 功率模塊典型尺寸

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

式中：為鍵合線長度，=/2+；=4 × 10，是真空磁導(dǎo)率；為鋁鍵合線的直徑。

參照文獻［30］對鍵合線進行仿真，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)驗證與式（1）的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果基本一致。

圖4 長度、直徑、并聯(lián)根數(shù)對鍵合線電感的影響

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：=8.85 × 10F/m，表示真空介電常數(shù)；=9，表示AlO陶瓷相對介電常數(shù)，對于陶瓷AIN和陶瓷SiN，相對介電常數(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)驗證與式（1）和式（2）的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果基本一致。

圖5 寄生參數(shù)分布

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

降低開關(guān)器件換流回路中電流流通路徑所通過的面積，可以減小雜散電感，將上半橋SiCMOSFET的續(xù)流二極管和下半橋的SiCMOSFET進行位置互換，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。

圖6 傳統(tǒng)封裝與疊層封裝的換流路徑示意圖

圖7 疊層封裝不同換流回路雜散電感仿真結(jié)果

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)置激勵源（Source）和接地（Sink），并且分別把激勵源添加到功率模塊端子的表面，注意激勵源可以設(shè)置多個，但是接地只能一個，圖8是SiC模型的網(wǎng)格剖分圖。

圖8 雜散電感提取模型與網(wǎng)格剖分

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，實際檢測結(jié)果是21.23 nH，相差為0.63 nH，即相對誤差為3%，證明了疊層功率模塊雜散電感的仿真提取方法的準確性。

金屬鍵合線的寄生電感越小，寄生振蕩越輕微，開關(guān)關(guān)斷過程中的電壓沖擊越小，開關(guān)速率越高，開關(guān)損耗越??；與此同時，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。

和共同決定電磁干擾（EMI）噪聲的轉(zhuǎn)折頻率：

3 雙面散熱技術(shù)

雙面散熱的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)可以通過取消金屬鍵合線，增加緩沖層并對緩沖層的形狀、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時間高溫危害，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，分為無緩沖層、單層緩沖層、雙緩沖層3種，如圖9所示，其中無緩沖層和雙層緩沖層均為對稱結(jié)構(gòu)。緩沖層可有不同形式，其中有的采用金屬墊塊。文獻［33］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。

圖9 不同緩沖層的結(jié)構(gòu)

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)的不對稱性，對其上下應(yīng)力層需要單獨分析。

圖10 不同緩沖層的熱應(yīng)力仿真云圖

表2 不同墊塊金屬結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力值 MPa

從仿真云圖中不難看出：無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，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模塊的熱機械可靠性。

與方形緩沖層對比，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，納米銀層塑性應(yīng)變比采用方形緩沖層時的納米銀層的塑性應(yīng)變值減少了47.5%。這主要是因為圓柱形緩沖層邊緣過渡圓潤，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。

圖11 雙面散熱引線鍵合式功率模塊

Liang等研究表明，雙面散熱功率模塊的開關(guān)損耗降低到商業(yè)功率模塊的10%，由于鍵合引線會使寄生參數(shù)數(shù)值較大，所以無鍵合線模塊，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，超過這一數(shù)值，就會出現(xiàn)斷裂失效的危險。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)。金屬層邊緣采用臺階狀可有效減小應(yīng)力，臺階高度應(yīng)為銅層的一半。

基板主要趨勢是使用高性能材料，減少層數(shù)和界面的數(shù)量，同時保持電、熱和機械特性。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)將促進在模塊的頂部使用第2個陶瓷基板/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)計的部署和減少熱接口數(shù)量將是一個強大的趨勢，為未來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)備更高運行溫度的硅膠和環(huán)氧材料正在研發(fā)中。為了實現(xiàn)復(fù)雜和緊湊的模塊設(shè)計，在包括EV/HEV等許多應(yīng)用中，硅膠由于其低廉的價格，使用范圍更廣泛。環(huán)氧樹脂材料的應(yīng)用，仍受到高溫下可靠性的限制。

4 失效方式匯總

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

圖12 功率模塊失效機理

功率模塊常見的損壞有過流損壞、過熱損壞和過壓損壞等，過流損壞為流經(jīng)功率模塊的電流超過耐流值，過流沖擊導(dǎo)致芯片發(fā)熱嚴重，超過結(jié)溫耐溫值，從而損壞芯片。過壓損壞為加在SiCMOSFET的漏極（G）和源極（S）間電壓大于耐壓值，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)動信號添加后，避免導(dǎo)通電路出現(xiàn)短路問題和上下橋臂直通等故障。因此，可以通過增加檢測保護電路和對控制程序進行優(yōu)化來保障功率模塊的安全運行。

各種原因?qū)е碌墓β誓K的真實失效現(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的失效現(xiàn)象。

圖13 不良焊接的表現(xiàn)

圖14 超聲引線鍵合的不同效果圖

圖15 瞬態(tài)過電流引起的器件失效現(xiàn)象

圖19 功率模塊柵極失效圖

圖16 瞬態(tài)過電流導(dǎo)致的芯片燒毀現(xiàn)象

圖17 灌膠環(huán)節(jié)的不良現(xiàn)象

圖18 功率模塊過電壓擊穿現(xiàn)象

對功率模塊通過均勻涂抹導(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熱問題。增加電流互感器檢測器件與RC緩沖電路和對程序驅(qū)動算法進行優(yōu)化等措施可有效解決過流問題。通過母線電壓采集，進行對比保護等可有效解決過壓問題。

5 先進技術(shù)展望

基于焊接與引線鍵合的傳統(tǒng)材料工藝存在熔點低、高溫蠕變失效、引線纏繞、寄生參數(shù)等無法解決的問題，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)勢具體有以下幾點。

（1）焊接通過引線連接芯片和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，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，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，且熔點顯著高于傳統(tǒng)焊料，相關(guān)科研團隊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。

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題，同時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)不同引起的問題，可通過添加金屬緩沖層來改善互連性能，但會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)時長，提升生產(chǎn)效率；流水線工作，提升可制造性和生產(chǎn)設(shè)計的靈活性。

（4）與無壓燒結(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題，但是燒結(jié)過程中的致密性、連接層的溫控和極限環(huán)境中性能退化問題還尚待解決。

上述問題的解決需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動協(xié)調(diào)攻關(guān)，部分問題隨著技術(shù)進步將逐步得到解決。盡管當(dāng)前模塊封裝幾乎全是以連線鍵合方式為主，預(yù)計未來3~5年銀燒結(jié)封裝技術(shù)會是功率模塊互連的主流技術(shù)。由于銀離子遷移對互聯(lián)結(jié)構(gòu)有負面影響，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

本文重點分析和綜述了碳化硅功率模塊封裝中的4個關(guān)鍵問題：（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；（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度、寬度和并聯(lián)根數(shù)對寄生電感影響，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散熱和應(yīng)力形變的影響；（4）匯總了功率模塊常見失效圖譜和解決措施，為模塊的安全使用提供參考。最后探討了先進燒結(jié)銀技術(shù)的需求和關(guān)鍵問題，并展望了燒結(jié)封裝技術(shù)和材料發(fā)展方向。