碳化硅装置器件的包装封装问题亟待解决

由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案

目前，碳化硅（SiC）这种半导体材料因其在电力电子应用中的出色表现引起了广泛的关注。对晶圆和器件的研究在近年来已经取得很大进展。如今，各供应商已可批量生产电压等级高达1.2 kV的二极管和晶体管，部分技术改进正在进行当中。目前还没有大型的高压碳化硅器件，但预计未来将会很快推出。虽然大家都在为碳化硅器件带来的机遇而激动，但这些器件在装配、互联和封装技术上还面临着一些新的难题。创新的封装方案不可或缺！

碳化硅器件的优点是什么？

碳化硅是一种宽禁带（WBG）半导体材料。禁带通常是指价带和导带之间的电子伏（eV）能差。价电子和原子结合形成传导电子需要这种能量，而这种传导电子可在晶格中自由移动，并可作为电荷载子导电。绝缘体拥有极高的禁带宽度，通常要高于4eV。

两者均为半导体材料，但碳化硅的性能明显优于硅材料（Si），如表1所示。

Table {{N:1}} 表1：碳化硅与硅的性质

碳化硅的禁带宽度是硅材料的3倍，击穿电场的大小则是后者的10倍。这意味着，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的漂移区域间隔可以减少至硅器件的十分之一。此外，就漂移区域的掺杂浓度而言，碳化硅器件比硅器件高100倍。大部分高阻塞电压功率器件的导通电阻都是漂移区电阻。因此，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的导通电阻（RDSon）是硅功率器件的千分之一。

碳化硅的电子漂移速度是硅材料的两倍左右。此外，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的漂移距离比硅器件要短。所有这些特性都表明，与硅器件相比，碳化硅器件可在更高的开关频率下工作。

最后，碳化硅的热导率是硅材料的三倍左右。此外，碳化硅的半导体固有温度远高于1000°C。因此，在高温环境下，碳化硅器件的稳定性要优于硅器件。

对市场和应用的影响

与硅器件相比，碳化硅器件拥有更低的运行损耗、更快的开关速度和更出色的高温工作稳定性。这些特征能带来许多系统优势，对于下一代电源模块很有吸引力。

高温稳定性意味着碳化硅不仅可以在更高的温度下工作，而且还可以经受住不时出现的温峰（取决于任务要求）。此外，更高的开关频率能够减少产品的大小和重量，因为笨重的磁性组件被换成外形更小的元件。最后，更快的开关时间和更低的导通电阻能够减少开关和传导损耗，进而提高系统效率。

即使碳化硅属于价格（更）高的组件，系统成本通常也能得到降低。但这需要进行详尽的调查，因为碳化硅对所有常用的电力电子应用而言情况不同。Power America和欧洲电力电子中心（ECPE）等组织发布了宽禁带路线图，表明了基于碳化硅的电源模块的主要市场和应用场景。光伏逆变器、不间断电源（UPS）和电动汽车的逆变器可在短期内从碳化硅中获利，而高电压应用的实现还需要一定时间。

封装是一个限制因素

有了碳化硅器件后，应用不仅能够实现显著的效率改进，而且能够降低体积和重量。前提是，将该器件整合入应用的过程并不会抵消这些优点。因此，作为第一步，封装方面需要特别注意。

前面说过，每块芯片的开关和传导损耗将会极大地减少，而芯片面积也会继续缩小。最后，功率损耗的密度将会增加，从而必须仔细选择封装方式以解决较高的散热需求。此外，器件能够在更高的结温下工作，而温升还会增加。因此，对于高温稳定性、冷却和可靠性的要求将会更加严苛，必须根据情况选择模块外壳、器件连接、散热底板和散热所用的封装材料。模块外壳的新材料可能需要满足高工作温度的要求。互联器件的新技术将代替传统笨重的铝线。现在，在氮化硅活性金属钎焊（Si3N4 AMB）基板上银烧结模具能够更好地解决这些冷却和可靠性问题。我们也可以期待一些采用厚铜层、低热阻和综合散热器的创新解决方案，以优化热容、热扩散以及从芯片到冷却剂散热距离。

除上述挑战外，碳化硅快切器件还可能出现一些电气方面的问题。在断开闭锁模式这一极短的开关时间中，电压的下降会产生电流斜率，进而导致明显的过电压和振荡。放慢器件的速度并不是一个明智的选择。这种问题可通过电源模块内或附近的低电感电流解决。短路环、相反平面中的电流以及多条对称的电流路径是在设计电源模块、直流基板（包括电容）及其连接时必须考虑的基本要素。另一个问题与交流电和地面间的电容耦合有关。当开关速度极快时，这一耦合就成为了系统的关键，因为其会产生极高的电磁干扰。同样地，电源模块的巧妙设计能够尽量减少这一影响。

最后，成本或将成为碳化硅器件推广面临的最大挑战。虽然这些器件价格高昂，但它们能够大幅降低成本。但是，由于这些器件会影响系统成本，我们必须尽可能地在满足要求的情况下，减少所用的器件数量。因此，需要热管理解决方案在缩小芯片面积的同时，最大化紧凑轻巧封装的输出功率。

碳化硅器件将改变整个局面——其封装需要全新的材料、全新的连接技术和全新的组件。创新是克服障碍的关键。作为金属化陶瓷基板和冷却方案的制造商，罗杰斯电力电子解决方案事业部将以开发伙伴的身份为你提供帮助。你有什么设计问题或需要帮助为你的具体应用选出一款适合的基板或散热器吗？请与我们联系。

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标签：
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发布于 2019 年 3 月 27 日

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