碳化硅（SiC）功率模块封装技术综述：布局、材料体系与集成趋势
作者及发表信息
本文由Cai Chen（华中科技大学电气与电子工程学院）、Fang Luo（阿肯色大学电气工程系）和Yong Kang（华中科技大学电气与电子工程学院）合作完成，发表于2017年9月的《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》（第2卷第3期）。
研究背景与主题
碳化硅（SiC）器件因其优于传统硅（Si）器件的性能（如更高的开关速度、耐高温、高击穿电场等），成为未来高性能电力电子能源转换的核心候选。然而，传统封装技术限制了SiC器件潜力的充分发挥。本文综述了SiC功率模块的先进封装技术，聚焦于模块布局优化、封装材料体系革新和模块集成趋势三大方向，并分析了这些技术进步对SiC器件性能的影响。
1. SiC器件封装的核心挑战
SiC器件的高性能特性带来了独特的封装挑战：
- 高开关速度（dv/dt与di/dt）：SiC器件开关速度远超Si器件，但高di/dt会导致电压过冲和电磁干扰（EMI），而高dv/dt会增加共模噪声。现有封装寄生参数（如电感）难以匹配。
- 高温与高电场操作：SiC器件可工作在200–300°C，远超传统Si封装材料（极限175°C），且更薄的SiC芯片需匹配热膨胀系数（CTE）和更高绝缘强度的材料。
- 多芯片并联的电流平衡问题：高开关速度对寄生对称性敏感，动态电流均流难度增加。
论据支持：
- 表格对比显示，SiC器件理论性能指标（如开关损耗、电流密度）较Si器件高1–2个数量级（表I）。
- 商业化SiC模块（如Wolfspeed、ROHM）的封装电感仍高达15–20 nH，限制开关性能（表II、III）。
2. 先进封装结构
为降低寄生参数，研究者提出以下结构：
- 改进型引线键合结构：如CPES团队的三维引框架设计（图3a），将寄生电感降至数nH；阿肯色大学的“双端源”总线结构（图3b）优化动态均流。
- 无线连接结构：
- 直接引线键合（DLB）：通过铜引线直接焊接芯片顶面（图5），减少电感（如Mitsubishi T-PM模块电感降低57%）。
- 嵌入式结构：多层陶瓷框架封装（图8），集成无源元件，实现超低电感（ nH）。
- 3D封装：如芯片堆叠（CoC，图12）和晶圆级集成（图14），寄生电感可低至0.25 nH。
论据支持：
- 实验数据表明，DLB模块（如Silicon Power Corporation的1200 V/300 A模块）体积较传统模块缩小2/3（图6）。
- Semikron的SKiN技术（图7）通过银烧结互联，功率循环寿命提升200倍。
3. 封装材料体系创新
针对高温与高电场需求，材料体系需突破：
- 衬底：氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）陶瓷因高导热和CTE匹配性优于传统氧化铝（Al2O3）。
- 芯片贴装材料：银烧结（LTJT）技术（熔点961°C）和扩散焊（如Cu-Sn合金）替代铅焊料，适应高温环境（图20）。
- 封装材料：聚酰亚胺（PAI）和苯并环丁烯（BCB）等聚合物可耐受300°C高温（表V）。
论据支持：
- 银烧结模块的导热性（250 W/mK）较传统焊料提升5倍，功率循环测试中可靠性显著改善。
- 厚膜铜（TPC）衬底在1800次热冲击后无分层（图18）。
4. 模块集成趋势
功能集成是释放SiC潜力的关键：
- 去耦电容集成：嵌入MLCC电容（图13）可抑制电压振荡。
- 栅极驱动器集成：如Semikron的SOI驱动芯片直接绑定DBC（图23a），降低栅极回路电感。
- 传感器与热管理集成：单芯片集成温度/电流传感器（图25），或微通道铜冷却器直接烧结衬底（图27），降低热阻40%。
论据支持：
- 阿肯色大学的集成驱动模块无需阻尼电阻（图23b）。
- ORNL的双面冷却SiC模块（图26b）通过针鳍结构提升散热效率。
论文意义与价值
本文系统梳理了SiC功率模块封装的三大技术路径，其价值在于：
1. 学术价值：为寄生参数控制、高温材料选择和功能集成提供理论框架。
2. 工业应用：指导下一代高功率密度、高可靠性SiC模块设计，推动电动汽车、可再生能源等领域发展。
亮点
- 全面对比商业化SiC模块封装性能（表II、III），揭示传统封装的局限性。
- 提出无线连接与3D集成等创新结构，寄生电感降低至亚nH级别。
- 强调材料-结构-功能的协同优化，为SiC封装指明多学科交叉研究方向。
其他有价值内容
- 文末指出热管理需独立研究，暗示未来可结合封装与散热技术进一步探索。
- 附录引用百余篇文献，涵盖学术界与工业界最新成果（如Wolfspeed、Infineon等厂商技术）。