「科普分享」SiC模块封装技术

SiC近年来在光伏，工业电源，汽车等领域逐步渗透，并快速发展。当面对大功率需求的时候，多芯片并联的功率模块设计开始遇到问题，传统的基于Si基的模块设计很多时候并不完全适用于SiC模块的设计。那么SiC模块封装该如何更好的适应应用需求呢？

模块封装概述

封装是芯片到应用的重要一环，在大功率的电力电子应用中，多芯片并联封装到一起是满足更高功率的重要手段。当面对上百千瓦甚至兆瓦级别的功率开关的时候，TO-247这种封装就不太适用了。那么我们就有了各种各样的封装形式。以应对不同的应用需求，来满足成本，性能指标。

下面的图片列举了目前常用的封装，各种封装都有特别适用的应用场景，比如PCBA集成的适合于Easy,Flow,Econo等封装。汽车级的应用，直接水冷往往是最优的选项。压接式的模块则是应于MMC拓扑的电网应用。

当更大功率的应用需要到功率半导体的时候，我们从芯片级别并联成为一个最优的选项，应对复杂拓扑结构或者组合拓扑结构的时候，更大的DBC面积以及针脚的出线端子才能满足要求，对于高功率密度的要求，直接水冷或者双面水冷是做好的选项。

• Easy, EconoPIM, Flow, MiniSKiip 等封装采用针脚出线形式，能很好的满足诸如NPC, Braker, APF, 整流等复杂拓扑或者结构的应用；
• PrimePACK, IHV等封装则是在芯片并联的基础上又通过内置母排并联了多个DBC以实现更高的功率。XHP封装其实也是类似上述的大功率模块，差异在于减少了DBC并联，同时优化外部结构利于外部模块级别并联以满足应用端更加灵活的设计需求。
• HybridPACK,DCM1000, M653等模块则是典型的汽车级模块，采用少量芯片并联，直接水冷方式以提供功率密度，DCM1000的半桥结构则是为了提供更加灵活的应用设计，Molding的封装形式以及三直流端子的母线设计也可以很好的兼容SiC模块的设计。
• 后面的Hybrid DSC 封装也包括其他类似的双面冷却模块的设计，虽然外部结构设计复杂，但是可以给应用端提供灵活紧凑的设计，以实现高功率密度。
  
  

以SiC为例，当传统封装结构用于宽禁带半导体材料功率模块封装时，会带来以下问题：

一是引线键合和复杂的内部互连结构带来较大的寄生电容和寄生电感。SiC功率芯片的开关速度可以更快，因而电压和电流随时间的变化率（dv/dt和di/dt）就更大，这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡，会引起开关损耗的增加，严重时甚至会引起功率器件的误开关，因此SiC功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。

二是SiC功率器件在散热方面具有更高的要求。SiC器件可以工作在更高的温度下，在相同功率等级下，其功率模块较Si功率模块在体积上大幅降低，因此对散热的要求就更高。

如果工作时的温度过高，不但会引起器件性能的下降，还会因为不同封装材料的热膨胀系数（CTE）失配以及界面处存在的热应力带来可靠性问题。

所以，当大功率的全碳化硅模块能给应用带来系统提升的同时，如何把多片并联的SiC芯片高性能的封装到模块开始成为一个重要发展方向，上述的这些典型封装是否能很好的适应于SiC模块？如何开发新型SiC模块的封装技术呢？

半导体模块封装技术发展历史

目前封装技术正逐渐从传统的引线框架、引线键合向倒装芯片（FC）、硅通孔（TSV）、嵌入式封装（ED）、扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圆级封装、系统级封装（SiP）等先进封装技术演进。

芯片的尺寸继续缩小，引脚数量增加，集成度持续提升。

而针对不同的封装有不同的工艺流程，并且在封装中和封装后都需要进行相关测试保证产品质量。

▼半导体先进封装系列平台

▼集成电路封装工艺发展历程

封装主要分为DIP双列直插和SMD贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO（如TO-89、TO92）封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。

▼半导体封装发展历程-集成度、密度、性能逐步提升

SiC模块封装需求

当我们去考虑如何更好的封装SiC产品的时候，是基于其差别与传统Si产品的固有特性的。其主要包含两个方面即是更快、更热，以及衍生的设计上的变化我认为有一下几点：

• 更快是指SiC的开关速度更快，dv/dt、dt/dt更大。会导致系统杂散电感、分布电容对系统的影响更加显著，对称设计将变得非常重要。
• 更热意味着芯片可以工作到更高的结温，但是更高的结温对封装要求也更高，硅凝胶如何能工作到超过200℃。新型材料比如硅橡胶是不是可以用于传送模(transfer molding)以满足更高的温度要求？以及更高的工作结温情况下寿命如何保证。
• 功率循环能力，如何满足想系统要求。铜绑定线或者无绑定线是不是正确的路线。
• 在很多应用场合，可以发挥体二极管的作用省去反并联二极管。那么上下桥的结构设计是不是可以简化。
• 由于电流密度更大，对绑定线载流能力要求提高，或者无绑定线。
• 端子的设计如何来更好的适配。从下图英飞凌论文给出的布局可以看出，三端子的设计对于对称设计以及降低杂散电感是有利的。
• 功率密度更高的情况下，模块的体积可以变得更小，是否会带来模块封装设计的变化。
• 从芯片到模块到系统是目前垂直的三个层面。那么未来模块到系统会不会产生一定的融合？比如半集成的模块在系统层面实现完全集成。

SiC 功率模块封装结构进展

设计满足各种应用需求的封装本质上是芯片布局成电路和散热技术。结合外部设计组成成熟的产品，其技术基础主要是三个方面。包括芯片互连，芯片焊接，和散热设计，加上一个外壳封装构成整个模块，如下图所示：

首先看一下芯片顶部连接结技术变化：

传统封装技术下的芯片顶部连接技术以铝绑定线为主，铝绑定带也是一个改进方案。新的已经有应用的一些技术方案包括DLB，双面冷却，DBB，SkiN等。其基本特点都是采用铜工艺。来代替铝绑定线，对于改善可靠性，提高功率循环能力应该都有一定的效果。

▌直接导线键合结构（DLB，Direct-LeadBonding）

直接导线键合结构如图所示，该结构最大的特点就是利用焊料，将铜导线与芯片表面直接连接在一起，相对引线键合技术，该技术使用的铜导线可有效降低寄生电感，同时由于铜导线与芯片表面互连面积大，还可以提高互连可靠性。

三菱公司利用该结构开发的IGBT模块，相比引线键合模块内部电感降低至57%，内部引线电阻减小一半。

• SKiN结构

SKiN结构如图2所示，该模块结构也是一种无引线键合的结构，它采用了双层柔软的印刷线路板同时用于连接MOSFET和用作电流通路，赛米控（SEMIKRON）公司采用该种结构开发的1200V/400A（8个50ASiCMOSFET芯片并联）半桥功率模块的寄生电感小于1.4nH。

再来了解一下芯片的底部连接的变化：

目前主流的技术比如SAC (SnAgCu)，其他的比如SnPb、SnPbAg，SnCu等，都是基于锡合金的连接工艺。随着烧结工艺以及材料的发展，纳米级银粉烧结可以应用到芯片的连接并提供出色的性能。

使用银、铜等的微米纳米金属颗粒制备的焊膏取代锡/铅基软焊料，利用微米纳米颗粒的尺寸效应，可以在较低的温度下进行烧结，烧结后成为熔点很高的金属块材，而且具备良好的导电导热性能，可以较好地解决上述问题。

SiC基片比硅基片更小更薄。将SiC基片与烧结银（作为基片与框架的连接处）结合使用时，却能拥有SiC基片的优势。这些优势包括更高的开关速度和更高的效率，从而带来更高的热密度，进而得到更小的最终产品。

模块的散热结构变化

传统的DBC结构多是采用Cu-Al2O3-Cu的材料结构或者采用AlN的绝缘陶瓷取代Al2O3以降低热阻，基于AMB工艺的Si3N4也拥有优异的导热性能以及热匹配系数，同时AMB工艺可以提供更厚的铜衬底层益于散热同时兼顾可靠性。

底板多为平面铜底板或者Pinfin结构，这二者基本构成了模块的散热结构。采用环氧材料掺导热金属材料的绝缘膜技术能使绝缘不再依赖于陶瓷材料，可以优化模块的叠层结构，使芯片直接焊接在厚铜基板上，以获得更好的稳态热特性和暂态热特性。

ShowerPower3D的散热结构直接在铜底板上铸造散热水道，在成本上优于Pinfin，在性能上也能获得较大的提升。双面冷却的结构提高了芯片的散热面，可以降低系统热阻。

▌赛米控平面互连工艺（SiPLIT）

赛米控平面互连工艺如图3所示，该结构在将功率芯片与覆铜陶瓷板连接后，在芯片的正面利用真空层压工艺制备一层高可靠性的绝缘薄膜，然后在薄膜表面淀积一层50～200μm厚的铜作为互连。

与铝线键合工艺相比，由于厚铜与衬底的接触面积增大，该结构可以降低20%的热阻以及50%的寄生电感，并且可以提高功率循环性能。

• 2.5D和3D模块封装结构

为进一步降低寄生效应，使用多层衬底的2.5D和3D模块封装结构被开发出来用于功率芯片之间或者功率芯片与驱动电路之间的互连。

在2.5D结构中，不同的功率芯片被焊接在同一块衬底上，而芯片间的互连通过增加的一层转接板中的金属连线实现，转接板与功率芯片靠得很近，需要使用耐高温的材料，低温共烧陶瓷（LTCC）转接板常被用于该结构，图4为一种2.5D模块封装结构。

而在3D模块封装结构中，两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连，图5是一种利用紧压工艺（Press-Pack）实现的3D模块封装。

这种紧压工艺采用直接接触的方式而不是引线键合或者焊接方式实现金属和芯片间的互连，如图5所示，该结构包含3层导电导热的平板，平板间放置功率芯片，平板的尺寸由互连的芯片尺寸以及芯片表面需要互连的版图结构确定，整个结构的厚度一般小于5mm。图示封装结构有限元模拟的表面结果，其寄生电感仅0.86nH。

图6是另一种3D模块封装结构，该结构通过低温共烧陶瓷工艺，实现了功率芯片和驱动电路的垂直互连，该结构还可以方便地将被动元件集成在低温共烧陶瓷衬底上。

最后一点是模块的封装外壳设计

作为模块的机械和化学保护，现在能看得到的主流的有两种，一种是塑壳加硅凝胶的形式，这是大规模应用的；另外一种是基于环氧树脂材料，采用传送模工艺封装的模块，这种模块封装形式比较灵活多样，而且对寿命有提升，可能更加适合未来SiC模块的封装。我们看到的大多数的双面水冷的模块包括博世的PM4，丹佛斯的DCM1000平台都是。

写在最后：

本文是对目前SiC封装的一点科普知识，半导体封装是一门多学科交叉结合的工作，要把这门功课做细做活，还需要更多工程师和企业的潜心钻研。

宽禁带半导体功率器件的封装，在使用频率、散热、可靠性等方面都有着不同于传统Si基半导体封装的技术难度。希望全产业链关联的企业可以携手共进，早日突破瓶颈！