SiC芯片功率模块封装技术的新挑战
[发布日期：2021-11-19 10:49:37] 点击：
化合物半导体市场SiC功率模块封装技术的新挑战
New challenge
01 引线键合和复杂的内部互连结构带来的问题
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。
传统Si基功率模块封装存在寄生参数过高，散热效率差的问题，这主要是由于传统封装采用了引线键合和单边散热技术，针对这两大问题，SiC
功率模块封装在结构上采用了无引线互连(wireless interconnection)和双面散热(double-side
cooling)技术，同时选用了导热系数更好的衬底材料，并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等，研发出了多种不同的模块封装技术。
直接导线键合结构(DLB，Direct-LeadBonding)
直接导线键合结构如图
1[3]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[4]。
SKiN 结构
SKiN 结构如图 2[5]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 1 200 V/ 400 A(8 个 50A SiC MOSFET
芯片并联)半桥功率模块的寄生电感小于 1.4 nH。
赛米控平面互连工艺(SiPLIT)
赛米控平面互连工艺如图
3[6]所示，该结构在将功率芯片与覆铜陶瓷版连接后，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 50～200 μm
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[7]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[8]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 5
mm。图示封装结构有限元模拟的表面结果，其寄生电感仅 0.86 nH。
图6[9]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。
02 功率器件散热方面高要求带来的问题
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。
传统的硅基功率模块工作温度一般低于 175
℃，而碳化硅功率模块会工作在更高的温度下和更大的电场下，因此对封装材料在热电可靠性方面提出了更高的要求。
键合引线材料
尽管无引线键合可以有效地降低功率模块的寄生电感，但引线键合作为一种工艺成熟、低成本的互连技术仍广泛应用于功率模块封装以及 TO
系列分立器件封装中。
互联材料一览
近年来，随着功率器件封装要求的提高，引线键合材料也得到了新的发展，如大功率器件上的铝带键合技术实现了对铝线键合技术的替代。
其实“丝”和“带”是两种常见并且有鲜明特点的键合材料，比较容易选择，笔者认为键合带具有更大的优势。
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