1.碳化硅模塊的封裝

封裝本質(zhì)上是芯片布局成電路和散熱技術(shù)。結(jié)合外部設(shè)計(jì)組成成熟的產(chǎn)品，其技術(shù)基礎(chǔ)主要是三個(gè)方面。包括芯片互連，芯片焊接，和散熱設(shè)計(jì)，加上一個(gè)外殼封裝構(gòu)成整個(gè)模塊。

無論框架型模塊基本結(jié)構(gòu)，還是塑封型模塊結(jié)構(gòu)，主要為半導(dǎo)體芯片提供四個(gè)方面的功能：電氣連接、機(jī)械支撐、散熱途徑和環(huán)境防護(hù)。在提供這四個(gè)功能同時(shí)也引入了一系列的問題，包括寄生參數(shù)（指寄生雜感、寄生電容的問題），連接問題（主要指芯片到DBC、DBC到外面的端子連接等信號端的震動(dòng)問題、發(fā)熱問題以及接觸性問題），熱阻和界面失效。

圖片來源 ：SiC 功率模塊封裝技術(shù)及展望  蔡蔚 ，楊茂通 ，劉 洋 ，李道會(huì) 

①基礎(chǔ)材料

● 塑封材料（環(huán)氧樹脂、硅膠）：環(huán)氧樹脂、硅膠，還有整個(gè)模塊的外框結(jié)構(gòu)以及散熱器材料。

②封裝工藝

● 端子疊層連接工藝（激光焊接）：比如銅帶焊接、鋁帶焊接、端子與外圍連接的激光焊接

③模塊設(shè)計(jì)

通過有效的熱、電、力、磁的聯(lián)合仿真來設(shè)計(jì)高效率、高壓、高溫、高功率密度的模塊，最后進(jìn)行可靠性測試及失效分析。

2.模塊的封裝需要解決的問題

①電學(xué)性能，包括雜感、電流均流、EMI、信號串?dāng)_，以及絕緣和爬電的問題；

②熱管理性能，主要研究穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱阻、比熱容、熱耦合的問題，以及整個(gè)冷卻系統(tǒng)的流體壓降，熱管理性能直接影響了整個(gè)模塊的可靠性。

③機(jī)械性能，主要是機(jī)械的抗震性以及系統(tǒng)高集成的設(shè)計(jì)。機(jī)械振動(dòng)方面，采用超聲波端子焊和激光焊之后解決了汽車模塊對機(jī)械強(qiáng)度的要求，隨機(jī)振動(dòng)10g，沖擊振動(dòng)50g。

④可靠性，主要包括功率循環(huán)、溫度循環(huán)、高溫存儲(chǔ)以及高溫高濕的反偏問題等。

芯片技術(shù)趨勢：

更高工作結(jié)溫

封裝技術(shù)趨勢：

更優(yōu)背面散熱：更優(yōu)散熱流道設(shè)計(jì)，結(jié)合低熱阻封裝方案，提升器件出流能力

框架封裝--耐受更高溫度，更高功率密度，更小模塊體積，更低電感設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)模封裝--適用高結(jié)溫應(yīng)用 (SiC芯片)，高良率，低成本，滿足客戶定制化應(yīng)用場景 (單管、半橋)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前30千瓦以下的功率模塊封裝主要使用碳化硅器件，180千瓦以下主要采用標(biāo)準(zhǔn)框架式灌封封裝技術(shù)，而180千瓦以上逐漸開始采用塑封工藝技術(shù)。

框架灌封式碳化硅功率模塊

塑封2in1功率模塊A樣件，紅旗

Tesla Model 3功率模塊

資料來源：http://www.hs-mmcs.com/contents/8/427.html

3.碳化硅模塊的生產(chǎn)工藝流程

碳化硅功率模塊的生產(chǎn)工藝流程主要包括陶瓷基板排片、銀漿印刷、芯片貼片、銀燒結(jié)、真空回流焊、引線框架組裝焊接、引線鍵合、等離子清洗、塑封、X光檢測、測試包裝等環(huán)節(jié)。

碳化硅半橋模塊的生產(chǎn)工藝流程圖

資料參考：蘇州斯科半導(dǎo)體環(huán)評報(bào)告

4.碳化硅模塊與IGBT封裝區(qū)別

在 IGBT 時(shí)代，封裝技術(shù)基本可以用“焊接”和“邦定”加以概括。

首先，功率芯片的表面金屬化多為鋁質(zhì)（Al）或鋁摻雜硅（AlSi）；

焊接的材料多為“錫銀銅”（SnAgCu，SAC 焊料），工藝多為各類釬焊（Brazing）；

邦定，功率引線多用粗壯鋁線或銅帶（或編織銅網(wǎng)）等 ；

上圖顯示了一個(gè)沿用傳統(tǒng)的 IGBT 封裝工藝的 SiC 模塊（單相）。該封裝工藝的 die Attach 及 DCB Attach，使用了釬焊技術(shù)，熔點(diǎn)僅為 220°C 上下。SiC 芯片使用鋁質(zhì)表面金屬化，因而鋁基同質(zhì)邦定（Al-Al）的壽命尚可，但 die Attach 和芯片頂部到 DCB 的邦定是銅鋁結(jié)合（Cu-Al），剪切力在 20~30MPa左右，其寬幅度熱沖擊（TST）和熱電聯(lián)合功率循環(huán)（Power Cycling）的周次能力不足，因而在碳化硅的高耐受結(jié)溫應(yīng)用的情況下，壽命不足。

參考資料來源：https://data.angel.digital/pdf/cs_china_2022_feb_march.pdf

在發(fā)展的早期階段，碳化硅功率模塊自然而然地繼承和沿用了 IGBT 的封裝技術(shù)，但由于碳化硅器件的不同特性，且隨著應(yīng)用需求的相應(yīng)提升，舊有的封裝技術(shù)越來越難以滿足要求，主要表現(xiàn)在 ：

1）更高熔點(diǎn) ：過去各類焊接的熔點(diǎn)大約都在 220°C 左右 ；現(xiàn)在碳化硅器件的最高耐受結(jié)溫普遍都在 175°C，不久將會(huì)普及到 200°C，因而，要求各類連接的熔點(diǎn)必需超過 300°C，最好達(dá)到400°C 以上 ；

2）更佳熱導(dǎo) ：雖然碳化硅芯片內(nèi)阻和開關(guān)損耗都顯著的降低了，耐受結(jié)溫也高于 IGBT，但是開關(guān)頻率的提高和芯片面積的減小，還是導(dǎo)致發(fā)熱密度急劇增加。這樣，在同等功率條件下，要求單位面積的導(dǎo)熱能力提高 3~7 倍 ；因而，碳化硅模塊需要更佳的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采用先進(jìn)的材料，使得模塊總體熱阻最小，熱導(dǎo)率最大 ；

3）連接更堅(jiān)固 ：碳化硅功率模塊需在更大溫度范圍內(nèi)工作，因而需要把各個(gè)連接的剪切力提高到 60MPa 或以上 ；具體實(shí)現(xiàn)，同樣涉及到新型材料和工藝過程設(shè)計(jì)和實(shí)施 ；

4）降低連接電阻 ：連接的電阻要降低，以便在有限的面積（IGBT 的 1/5）上承載相當(dāng)?shù)碾娏?，降低耗?；

IGBT常見封裝工藝流程

現(xiàn) SiC 封裝技術(shù)大多沿用硅基器件封裝方式，基于傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)，碳化硅模塊 封裝主要會(huì)帶來以下兩方面問題：

1）引線鍵合，復(fù)雜內(nèi)部互聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容/電感。SiC 器件由于具有高頻特性、柵極電荷低、開關(guān)速度塊等因素，在開關(guān)過程中電壓/電流隨時(shí)間的變化率會(huì)變得很大（dv/dt；di/dt）。因此極易產(chǎn)生電壓過沖和振蕩現(xiàn)象，造成器件電壓應(yīng)力以及電磁干擾問題。

2）高工作電壓以及電流下的器件散熱問題。SiC 器件可以在更高的溫度下工作，但在相同功率等級下，SiC 功率模塊較 Si 在體積上大幅降低，因此 SiC 器件對散熱的要求更高。如果工作溫度過高會(huì)引起器件性能下降，不同封裝材料熱膨脹系數(shù)失配，進(jìn)而出現(xiàn)可靠性問題。這意味功率模塊需要更多地依賴封裝工藝和散熱材料來進(jìn)行散熱。

SIC芯片封裝技術(shù)重要發(fā)展方向有幾個(gè)點(diǎn)，包括改善產(chǎn)品的功率循環(huán)能力，提高壽命；降低模塊雜散參數(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品電氣特性；改善散熱性能，提高工作結(jié)溫，增加功率密度。

5.碳化硅模塊的封裝設(shè)計(jì)方向

目前新的設(shè)計(jì)SiC模塊的設(shè)計(jì)方向是結(jié)構(gòu)緊湊更緊湊，通過采用雙面銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)，以及氮化硅高性能AMB陶瓷板、用于液冷型銅基PinFin板、多信號監(jiān)控的感應(yīng)端子（焊接、壓接兼容）設(shè)計(jì)，努力往低損耗、高阻斷電壓、低導(dǎo)通電阻、高電流密度、高可靠性等方向努力。通過好的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的工藝技術(shù)確保碳化硅MOSFET性能優(yōu)勢在設(shè)備中得到最大程度發(fā)揮。

1）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(shí)間高溫危害，提高模塊的使用壽命。

2） AMB基板

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(shí)保持電、熱和機(jī)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)活性焊銅工藝，AMB是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，工作原理為：在釬焊電子漿料中加入少量的活性元素（Ti，Zr，V，Cr等），采用絲印技術(shù)印刷到陶瓷基板上，其上覆蓋無氧銅后放到真空釬焊爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對表面圖形進(jìn)行化學(xué)鍍。

功率模塊中主要使用3種陶瓷覆銅板：AL2O3-DBC熱阻最高，但是制造成本最低；AlN-DBC熱阻最低，但韌性不好；Si3N4-AMB陶瓷材料熱阻居中，韌性極好，熱容參數(shù)也更出色，可靠性遠(yuǎn)超AlN和AI2O3，使得模塊散熱能力、電流能力、功率密度均能大幅提升，其與第三代半導(dǎo)體襯底SiC晶體材料的熱膨脹系數(shù)更為接近，匹配更穩(wěn)定非常適合汽車級的碳化硅模塊應(yīng)用。AMB陶瓷基板有望成為IGBT和SiC器件領(lǐng)域新趨勢。

采用氮化硅AMB絕緣基板的模塊（來源：基本半導(dǎo)體）

圖片來源：https://www.basicsemi.com/h-pd-26.html

3） 銀燒結(jié)

銀燒結(jié)封裝技術(shù)會(huì)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(fù)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(shí)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。

銀燒結(jié)或銅燒結(jié)熔點(diǎn)高，界面連接強(qiáng)度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱好，保證在“熱-機(jī)械”循環(huán)應(yīng)力下的高可靠性

銀燒結(jié)是目前碳化硅模塊領(lǐng)域最先進(jìn)的焊接技術(shù)，可充分滿足汽車級功率模塊對高、低溫使用場景的嚴(yán)苛要求。

傳統(tǒng)引線鍵合及焊料問題

• 引線纏繞
• 循環(huán)易疲勞，可靠性低
• 熔點(diǎn)<300℃，不適合高溫器件互連
• 金錫材料高溫脆性產(chǎn)物，降低可靠性

銀，銅燒結(jié)技術(shù)優(yōu)勢

• 低溫?zé)Y(jié)(<300 ℃高溫服役）
• 厚度較傳統(tǒng)焊接層厚度薄6 0%~7 0%，適合高溫器件互連電性能(4.1X107 S/m、熱性能(240 W/mK)均優(yōu)于無鉛焊料.電導(dǎo)率提高了 5~6倍，熱導(dǎo)率提高了3~4 倍
• 模塊可靠性表現(xiàn)更好，壽命更長

很多企業(yè)已經(jīng)嘗試將功率模塊內(nèi)部中的所有傳統(tǒng)焊料升級迭代為銀燒結(jié)工藝，包括芯片，電阻，傳感器等。

DTS (Die Top System) 技術(shù)原理

為進(jìn)一步提升模塊電性能及可靠性，嘗試的方向是采用DTS+TCB（Die Top System + Thick Cu Bonding）技術(shù)，在常溫條件下通過超聲焊接將粗銅線與AMB基板、及芯片表面的覆銅片進(jìn)行鍵合連接，實(shí)現(xiàn)彼此間的電氣互聯(lián)。相較鋁線鍵合，模塊壽命可提升3倍以上，且電流和導(dǎo)熱能力可大幅提升。

https://www.heraeus.com/en/het/products_and_solutions_het/material_systems/die_top_system/dts_page.html

4） Cu Clip

在進(jìn)行芯片正面連接時(shí)可用銅線替代鋁線，消除了鍵合線與 DBC 銅層之間的熱膨脹系數(shù)差異，極大地提高模塊工作的可靠性。鋁帶、銅帶連接工藝因其更大的截流能力、更好的功率循環(huán)以及散熱能力，也有望為碳化硅提供更佳的解決方案。

Cu Clip即銅條帶，銅片。

Clip Bond即條帶鍵合，是采用一個(gè)焊接到焊料的固體銅橋?qū)崿F(xiàn)芯片和引腳連接的封裝工藝。

銅鍵合線（左）、銅帶連接（右）

資料來源：http://www.hymexa.com/html/fzjsys/19.html

與傳統(tǒng)的鍵合封裝方式相比，Cu Clip技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、芯片與管腳的連接采用銅片，一定程度上取代芯片和引腳間的標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合方式，因而可以獲得獨(dú)特的封裝電阻值、更高的電流量、更好的導(dǎo)熱性能。

2、引線腳焊接處無需鍍銀，可以充分節(jié)省鍍銀及鍍銀不良產(chǎn)生的成本費(fèi)用。

3、產(chǎn)品外形與正常產(chǎn)品完全保持一致。

5） 熱管理

更集成的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電路拓?fù)?，以進(jìn)行更好的系統(tǒng)熱管理

為使模塊產(chǎn)品熱路徑設(shè)計(jì)更緊湊，促使逆變器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)更緊湊高效，進(jìn)一步降低整體系統(tǒng)逆變器成本，通過封裝形式的改變，改善散熱性以及通流能力。

采用多芯片并聯(lián)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各并聯(lián)主回路和驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)基本一致，最大程度保證并聯(lián)芯片的均流性。

模塊內(nèi)部封裝有溫度傳感器（PTC），且PTC安裝在靠近芯片的模塊中心位置，得到了一個(gè)緊密的熱耦合，可方便精確地對模塊溫度進(jìn)行測量。

6） 外殼材質(zhì)

IGBT模塊的塑封材料基本上采用PBT或PPS，但也有采用PPA、PA、LCP等材料的情況。在耐溫要求不高的情況下，PBT仍然是被廣泛采用的材料。然而，對于高耐溫要求的器件，例如SiC運(yùn)行功率較高的情況下，通常需要采用高溫材料PPS或9T。

文章來源：艾邦半導(dǎo)體