功率半導體在電力電子系統中占據核心的地位。經過幾十年的發展，矽半導體已經接近理論效能極限，無法滿足越來越高的變換器效能要求。自21世紀以來，以碳化矽（SiC）為主的寬禁帶半導體受到越來越多的關註。碳化矽的絕緣擊穿場強是矽的10倍，而同等耐壓下的漂移區電阻理論上可以降低到矽的1/300，在保證「高耐壓」能力的同時，實作「低導通電阻」「高開關速度」以及「高開關頻率」的特性。另外，碳化矽材料的帶隙寬度是矽的3倍，因此，碳化矽功率半導體芯片在高溫條件下也可以穩定工作。
功率芯片透過封裝實作與外部電路的連線，其效能的發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組進行使用。傳統的功率模組封裝截面如圖1所示。其封裝方式足以滿足矽半導體的特性需求，但在將其套用於碳化矽半導體時，則會遇到一些挑戰，限制了碳化矽半導體優異特性的發揮。目前，碳化矽功率模組封裝的主要挑戰體現在電效能的發揮、芯片的熱管理、芯片的高溫執行以及長期可靠的絕緣四個方面。
圖1 傳統功率模組封裝截面
電力裝置電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的王來利、趙成、張彤宇 等，從最佳化設計方法所依據的基本原理出發，對各種最佳化技術進行分類總結，涵蓋了降低高頻寄生電感、增強散熱效能、提高耐高溫能力以及提升絕緣強度的一系列相關技術。在此基礎上，對相關的可靠性問題進行總結，並對碳化矽功率模組所面臨的挑戰與機遇進行分析與展望。
針對碳化矽功率模組封裝可靠性問題，研究者表示，由於不同材料之間熱膨脹系數的差異，使得不同材料連線處在溫度變化時，承受周期性的應力作用導致塑性應力積累而發生失效，引發可靠性問題。商用的碳化矽功率模組推薦使用條件基本和傳統矽基IGBT模組相同，采用鍵合線互連結構，如圖1所示。其中所采用的封裝工藝和傳統的矽基器件相同，唯一的區別是碳化矽本身的熱膨脹系數和矽略有不同。在正常的工作範圍內，碳化矽功率模組的封裝與傳統矽IGBT功率模組的可靠性相近。
他們指出，碳化矽芯片可以在更高的溫度下使用，在高溫條件下執行時，相應的封裝將承受範圍更大的溫度迴圈，由此對於碳化矽模組封裝的可靠性帶來挑戰。其中，傳統的Al2O3和AlN覆銅陶瓷基板在大範圍溫度迴圈下會快速失效，無法滿足可靠性要求。
目前，通常采用Si3N4的活性金屬釬焊銅基板用於提高高溫下碳化矽模組的可靠性。焊接材料通常采用燒結奈米銀，一方面可以實作高耐溫；另一方面奈米銀燒結之後形成的焊層楊氏模量較小導致溫度迴圈和功率迴圈時焊層承受的應力較小，可以極大地提高碳化矽功率模組的可靠性。
此外，研究者從理論基礎和工藝方案的角度全面回顧了碳化矽功率模組設計時在寄生電感抑制、散熱增強耐高溫封裝以及絕緣最佳化方面的最佳化策略和具體方法。相較於傳統的Si IGBT，基於SiC MOSFET的碳化矽功率模組設計中對於寄生電感的要求更加嚴格，需要采用寬截面短距離的互連結構以及端子或者縮小回路面積的新型封裝結構來滿足相應的要求。為了滿足寄生電感的需求，必須盡可能減小封裝整體的大小，與此同時會帶來一些負面影響，主要體現在散熱和絕緣問題更加棘手。
為了應對這些挑戰，一些在有限的空間範圍能增強散熱的方式相繼出現，如整合熱管、雙面散熱等。與之類似地，在緊湊空間能增強絕緣效能的手段也不斷湧現，如疊層基板、三相點結構最佳化以及功能梯度材料等。
目前的研究通常只關註寄生電感、散熱以及絕緣效能其中一個方面的最佳化，未來的研究應該全面地考量各種最佳化手段的綜合使用的效能，關註各種最佳化手段彼此之間的交互作用關系，同時實作碳化矽功率模組在寄生電感、散熱能力以及絕緣效能方面的最佳化提升。
此外，碳化矽芯片高溫執行的能力也會受到傳統封裝材料無法耐高溫的缺點限制，必須開發相應的耐高溫封裝材料體系，目前已經出現的各種耐高溫封裝材料在高溫和大範圍溫度迴圈下的可靠性問題還需要進一步研究和驗證。
本工作成果發表在2023年第18期【電工技術學報】，論文標題為「碳化矽功率模組封裝技術綜述」。本課題得到國家重點研發計劃的支持。
