本文属于类型a，即单一原创研究论文。以下是对该研究的学术报告。

一种用于250 °C碳化硅功率模块的基于气密封装保形涂覆的高温封装方法

主要作者与发表信息

本文的主要作者包括Yunchan Wu（吴云灿）、Zhiqiang Wang（王智强，通讯作者）、Rong Zhang（张蓉）、Guoqing Xin（辛国庆）、Haoran Hu（胡浩然）、Xingyuan Yan（严星媛）以及Xiaojie Shi（石晓杰）。所有作者均来自华中科技大学电气与电子工程学院。该研究得到了中国国家自然科学基金（项目号52277179）的资助，于2024年11月6日在线发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊，并刊登于2025年3月第40卷第3期，论文页码为4090至4099。

研究背景

宽禁带（wide bandgap, WBG）功率器件相较于传统的硅（Si）器件具有显著优势，其中碳化硅（silicon carbide, SiC）功率器件凭借其高工作温度、高热导率、高阻断电压以及快速开关速度等优异特性，在航空航天、电动汽车、石油勘探等众多应用领域逐步替代硅功率器件。然而，受限于传统硅绝缘栅双极型晶体管（insulated-gate bipolar transistor, IGBT）封装方法，SiC功率器件的高温应用潜力尚未得到充分发挥。因此，可靠的高温封装技术成为关键。

高温封装主要涉及两个核心因素：高温连接与高温封装。纳米银烧结和高温焊料已在高温连接中得到广泛应用，许多基于烧结或高温焊接的高温SiC功率模块也已被制造出来。然而，由于缺乏长期可靠的高温封装技术，这些模块通常仅被设计用于短时高温高压测试或者高温低电压条件下的连续运行。适用于功率模块的封装材料必须满足绝缘、防污染和机械保护等要求。适合高温封装的材料要么具有高于最高工作温度的玻璃化转变温度（glass transition temperature, Tg），如环氧树脂（epoxy resin），要么其Tg低于最低工作温度，如硅凝胶（silicone gel）。环氧树脂通常只能用于200 °C以下的应用，而硅凝胶因其优异的耐热性和耐化学性，常用于超过200 °C的高温功率模块中。然而，硅凝胶在250 °C以上的长期高温运行中面临严重的可靠性问题：一方面，其较大的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE）导致高温下分子链紧密度下降，水和氧气容易渗透并腐蚀内部电路，同时温度循环引起的膨胀会对键合线施加巨大的热机械应力；另一方面，长期高温暴露会导致硅凝胶硬度增加，硬化和热膨胀的共同作用可能导致硅凝胶开裂，显著降低绝缘和防污染性能。因此，利用硅凝胶实现长期可靠的高温绝缘、防污染和机械保护十分困难。针对这一问题，本文提出了一种基于气密封装保形涂覆（hermetic conformal coating, HCC）的高温封装方法。

研究流程

该研究的工作流程主要包括三个部分：HCC模块的设计与制造、电气特性表征与可靠性测试、以及基于Buck变换器的连续运行验证。

首先，在HCC模块的设计与制造方面，作者提出了一种新型封装结构。在该结构中，SiC功率模块被密封在一个气密腔体内，模块表面沉积了一层由Parylene-HT薄膜和致密无机薄膜（Al₂O₃）组成的保形涂覆层。Parylene-HT薄膜通过化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）由Parylene-HT二聚体制备，即使在高达350 °C的温度下仍具有优异的长期可靠绝缘性能；致密的Al₂O₃薄膜则进一步增强了Parylene-HT薄膜的高温可靠性，并降低了保形涂覆层的CTE。超薄的保形涂覆结构在温度循环过程中仅引入微小的热机械应力，从而确保了宽温度范围内的可靠性。然而，该结构本身无法为模块提供有效的机械保护，且尽管其阻隔水和氧气的能力优于硅凝胶，长期高温服役中水和氧气仍会不可避免地渗透并腐蚀模块。因此，研究中采用了气密封装来阻止水和氧气的进入，并提供有效的机械保护。

作者制造了一个基于HCC方法的p-cell型SiC功率模块。该模块并未对部件进行特殊设计，以证明HCC方法的通用性。模块采用了常见的商用TO-258-5 Kovar气密封装外壳。制造过程如下：首先，将镀镍衬底通过银烧结工艺固定到镀镍的Kovar腔体中；随后使用高熔点焊料Pb95.5-Ag2.5-Sn2将SiC裸片焊接到衬底上；然后通过铝键合线连接端子、芯片和衬底；接着通过CVD在模块表面沉积10微米厚的Parylene-HT薄膜，再通过原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）在Parylene-HT薄膜上沉积90纳米厚的Al₂O₃无机薄膜；之后在氮气环境中通过平行缝焊将Kovar盖板焊接到腔体上；最后在腔体外表面镀金以保护焊缝免受腐蚀。该模块中SiC MOSFET与SiC肖特基势垒二极管串联，构成典型的p-cell型SiC功率模块。

其次，在电气特性表征与可靠性测试方面，研究者搭建了静态特性测试平台，使用Agilent B1505A曲线测试仪在宽温度范围内测量模块的静态电气特性；同时搭建了双脉冲测试（double pulse test, DPT）平台，测量模块的动态开关特性，外部栅极电阻为3.9 Ω，负载电感为1.3 mH。此外，还进行了250 °C、500小时的高温存储测试，以及−55 °C至250 °C的热冲击测试，以对比硅凝胶封装方法与HCC封装方法的性能。为了量化不同封装方法在温度循环中引入的应力，研究者还在COMSOL中建立了键合线连接点的热机械应力仿真模型，热膨胀温度设为250 °C，无应力温度设为25 °C。

最后，为了验证HCC模块在实际变换器应用中的连续运行能力，研究者将HCC模块集成到一个Buck变换器中，在输入电压600 V、开关频率10 kHz、负载50 Ω的条件下运行，并通过热敏电参数法实时监测结温。在运行前建立了实时结温查找表，并使用导通态漏源电压提取板在连续运行中提取导通态漏源电压，从而计算实时结温。

主要研究结果

静态特性测试结果表明，与数据手册相比，所提出的HCC封装方法并未劣化SiC功率器件的性能。随着温度升高，I-V曲线斜率下降，导通电阻增大。在250 °C时，导通电阻约为常温下的两倍，表明高温下导通损耗更大，存在热失控风险。在自然对流散热条件下，所用SiC MOSFET（型号CPM3-1200-0075A）的最大导通电流约为10 A。双脉冲测试中，在600 V、30 A条件下，HCC模块在250 °C下成功完成了开关过程，未发生击穿，表明其具备在250 °C高温和600 V电压下连续开关运行的潜力。

在250 °C、500小时高温存储测试中，硅凝胶模块的硅凝胶硬化并开裂，丧失绝缘和防污染能力，漏电流增大；而HCC模块在移除Kovar盖板后未观察到任何变化。热机械应力仿真结果显示，尽管硅凝胶质地柔软，但由于其较大的CTE和厚度，键合点处的最大von Mises应力是保形涂覆情况下的六倍。在−55 °C至250 °C热冲击测试中，硅凝胶模块的导通电阻在100次循环后发生剧烈变化，150次循环后无法测量；而HCC模块在整个测试过程中导通电阻保持稳定。此外，HCC模块在热冲击测试后仍保持良好的绝缘性能。相比之下，采用相同MOSFET的商用TO-247分立器件在热冲击测试的早期（50–100次循环）即发生失效，并伴随环氧树脂渗漏。硅凝胶模块中硅凝胶的硬化和热膨胀导致严重开裂，且可观察到栅极键合线的剥离，解释了导通电阻消失的原因。移除HCC模块的Kovar盖板后，未观察到与热冲击前相比的任何变化。

在600 V、250 °C连续运行实验中，Buck变换器在输入电压600 V、开关频率10 kHz、负载50 Ω的条件下工作，通过自然对流散热，占空比在21%左右波动，导通电流保持在10 A以下，使结温维持在250 °C以上。最终，HCC模块在超过250 °C的温度和高达600 V的电压下连续运行了约10分钟，未出现任何异常，验证了其高温高电压连续运行的优越能力。

结论与意义

本文提出了一种基于HCC的250 °C高温封装方法。在长期250 °C高温服役中，气密封装提供了有效的防污染和机械保护；由Parylene-HT薄膜和致密Al₂O₃薄膜组成的保形涂覆层提供了可靠的高温绝缘，同时仅引入了微小的热机械应力。通过静态特性测试、双脉冲测试、高温存储测试和热冲击测试，实验结果证明了HCC封装方法在高温和宽温度范围内长期运行的优越性能。最终，HCC模块成功集成到Buck变换器中，在600 V电压和超过250 °C的温度下连续运行约10分钟，验证了该方法的实用性和优越性。

该研究的科学价值在于提出了一种新型的SiC功率模块高温封装策略，将超薄保形涂覆与气密封装相结合，系统性地解决了硅凝胶封装在250 °C以上长期服役中绝缘退化、热机械应力过大以及防污染能力不足的问题。其应用价值在于为航空航天、石油勘探、电动汽车等需要在极端高温环境下运行电力电子系统的领域提供了一种可行的封装技术路径。研究重点强调了虽然目前HCC方法在对比实验中表现优异，但其与商业级250 °C SiC功率模块之间仍存在差距，例如高温焊料的蠕变问题和铝键合线的剥离问题尚未完全解决，HCC方法的寿命也需要进一步研究。

研究亮点

该研究的创新性在于：第一，提出了将气密封装与保形涂覆相结合的全新封装理念，既克服了保形涂覆单独使用时机械保护不足和水氧渗透的问题，又避免了传统灌封材料在高温下热机械应力过大和绝缘退化的问题；第二，通过Parylene-HT与Al₂O₃双层薄膜结构，在保证优异高温绝缘性能的同时显著降低了CTE，从而减少了温度循环过程中的热机械应力；第三，通过与硅凝胶封装模块的对比实验，系统性地展示了HCC封装方法在250 °C高温存储和−55 °C至250 °C热冲击条件下的显著优势；第四，利用基于导通态漏源电压的热敏电参数法实现了对气密封装模块内部结温的实时监测，克服了气密外壳内部温度无法直接测量的困难。此外，作者还指出当前封装技术与真正的商业级250 °C SiC功率模块之间仍存在差距，并提出了未来的改进方向，包括优化连接方法、降低寄生电感、开展HTRB、HTGB、功率循环和振动等老化测试等。