第三代宽禁带功率半导体材料碳化硅（SiC）的应用-云帆兴烨

近几十年来，以新发展起来的第3代宽禁带功率半导体材料碳化硅（SiC）为基础的功率半导体器件，凭借其优异的性能备受人们关注。SiC与第1代半导体材料硅（Si）、锗（Ge）和第2代半导体材料砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、GaAsAl、GaAsP 等化合物相比，其禁带宽度更宽，耐高温特性更强，开关频率更高，损耗更低，稳定性更好，被广泛应用于替代硅基材料或硅基材料难以适应的应用场合。

（1）禁带宽度更宽：SiC 的禁带宽度比Si高3倍以上，使其能耐受的击穿场强更高（临界击穿场强是Si基的10倍以上），故器件能承受的峰值电压更高、能输出的功率更大。相同电压等级下，SiC功率半导体器件的漂移区可以做得更薄，可使整体功率模块的尺寸更小，极大地提高了整个功率模块的功率密度。另外，导通电阻R on 与击穿场强的三次方成反比例关系，耐击穿场强的能力高，导通电阻小，减小了器件开关过程中的导通损耗，提升了功率模块的效率。

（2）耐温更高：可以广泛地应用于温度超过600 ℃的高温工况下，而Si基器件在600 ℃左右时，由于超过其耐热能力而失去阻断作用。碳化硅极大提高了功率器件的耐高温特性。

（3）热导率更高：SiC器件的热导率比Si高3倍以上，高导热率提升了器件和功率模块的散热能力，减低了对散热系统的要求，有利于提高功率模块的功率密度。

（4）载流子饱和速率更高：SiC与Si相比，其载流子饱和速率要高10倍以上，而SiC器件的开关频率是Si基IGBT的5~10倍，增强了器件的高频能力。SiC器件不仅导通电阻R on 小，而且开关过程损耗也低，提升了功率模块的高频性能。

（5）临界位移能力更高：不仅SiC的临界位移能力比Si高2倍以上，而且SiC器件对辐射的稳定性比Si基高10~100倍，SiC基器件具备更高的抗电磁冲击和抗辐射破坏的能力。适合用于制作耐高温抗辐射的大功率微波器件。

然而，现有的封装技术大多都是沿用Si基器件的类似封装，要充分发挥碳化硅的以上性能还有诸多关键问题亟待解决。

由于SiC器件的高频特性，结电容小，栅极电荷低，开关速度快，开关过程中的电压和电流的变化率极大，寄生电感在极大的 di/dt下，极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗的增加和电磁干扰问题。

关于在高温、严寒等极端条件下可靠性急剧下降等问题，急需寻求适应不同工况的连接材料和封装工艺，满足不同封装形式的热特性要求。针对模块内部互扰、多面散热、大容量串并联、制造成本和难度等问题，适当减少热界面层数，缩减模块体积，提升功率密度和多功能集成是未来的趋势。采用先进散热技术、加压烧结工艺，设计功率半导体芯片一体化，优化多芯片布局等方式，起着一定的关键作用。

针对上述问题，国内外专家及其团队研发不同封装技术，用于提升模块性能，降低杂散参数，增强高温可靠性。

美国 Wolfspeed 公司研发出结温超过 225 ℃的高温SiC功率模块，并将功率模块的寄生电感降低到5 nH。美国GE公司的全球研究中心设计了一种叠层母线结构，构造与模块重叠并联的传导路径，使回路电感降至4. 5 nH。德国赛米控公司采用纳米银烧结和SKiN布线技术，研发出SiC功率模块的高温、低感封装方法。德国英飞凌公司采用压接连接技术，研制出高压 SiC 功率模块。德国Fraunholfer 研究所采用 3D 集成技术研制出高温（200 ℃）、低感（≤1 nH）SiC功率模块。瑞士ABB公司采用3D封装布局，研制出大功率低感SiC功率模块。瑞士ETH采用紧凑化设计，优化功率回路，研制出寄生电感≤1 nH 的低电感 SiC 功率模块。日本尼桑公司基于双层直接敷铜板（direct bonded copper，DBC）封装，研制出低感 SiC 功率模块，应用于车用电机控制器。

上述碳化硅的优良特性，只有通过模块封装布局的可靠性设计、封装材料的选型、参数的优化、信号的高效和封装工艺的改善，才能得以充分发挥。

本文中重点聚焦典型封装结构下，低杂散参数、双面散热模块下缓冲层的影响和功率模块失效机理等关键技术内容的梳理总结，最后展望了未来加压烧结封装技术和材料的发展。