半導體碳化硅（SiC）功率器件作為一種寬禁帶器件，以其耐高壓、高溫、導通電阻低、開關速度快等優異特性，在電力電子領域展現出了巨大的應用潛力。然而，要充分發揮SiC器件的這些優勢性能，封裝技術起著至關重要的作用。傳統的封裝技術難以匹配SiC器件的快速開關特性和高溫工作環境，因此，SiC功率器件的封裝面臨著諸多挑戰。本文將詳細解析SiC功率器件封裝中的三個關鍵技術：低雜散電感封裝技術、高溫封裝技術以及多功能集成封裝技術。

一、低雜散電感封裝技術

SiC器件的開關速度極快，開關過程中的dv/dt和di/dt均極高。雖然這顯著降低了器件的開關損耗，但傳統封裝中較大的雜散電感參數卻帶來了新的問題。在極高的di/dt下，較大的雜散電感會產生更大的電壓過沖以及振蕩，進而引起器件電壓應力、損耗的增加以及電磁干擾問題。因此，降低封裝中的雜散電感參數是SiC器件封裝技術的重要研究方向。

1.1 傳統封裝結構的局限性

傳統的SiC器件封裝方式大多沿用了硅器件的封裝技術，如通過焊錫將芯片背部焊接在基板上，再通過金屬鍵合線引出正面電極，最后進行塑封或者灌膠。這種封裝方式技術成熟、成本低廉，且可兼容和替代原有Si基器件。然而，其較大的雜散電感參數卻成為了制約SiC器件性能發揮的瓶頸。

傳統封裝中雜散電感的大小與開關換流回路的面積相關。其中，金屬鍵合連接方式、元件引腳和多個芯片的平面布局是造成傳統封裝換流回路面積較大的關鍵影響因素。金屬鍵合線不僅增加了換流回路的面積，還引入了額外的寄生電感。此外，多個芯片的平面布局也限制了電流回路的優化空間，使得雜散電感參數難以進一步降低。

1.2 低雜散電感封裝技術的創新

針對傳統封裝結構的局限性，國內外學者們研究開發了一系列新的封裝結構，用于減小雜散參數，特別是降低雜散電感。以下是一些典型的低雜散電感封裝技術：

• 單管翻轉貼片封裝：阿肯色大學團隊借鑒了BGA（球柵陣列）的封裝技術，提出了一種單管的翻轉貼片封裝技術。該技術通過一個金屬連接件將芯片背部電極翻轉到和正面電極相同平面位置，然后在相應電極位置上植上焊錫球，從而消除了金屬鍵合線和引腳端子。這種封裝方式顯著減小了電流回路面積，進而降低了雜散電感參數。與傳統的TO-247封裝相比，單管翻轉貼片封裝的體積減小了14倍，導通電阻減小了24%。
• DBC+PCB混合封裝：傳統模塊封裝使用的敷銅陶瓷板（Direct Bonded Copper，DBC）限定了芯片只能在二維平面上布局，導致電流回路面積大、雜散電感參數大。CPES、華中科技大學等團隊將DBC工藝和PCB（印刷電路板）板相結合，利用金屬鍵合線將芯片上表面的電極連接到PCB板上，從而控制換流回路在PCB層間流動。這種混合封裝方式大大減小了電流回路面積，進而降低了雜散電感參數。實驗結果表明，該混合封裝可將雜散電感控制在5nH以下，體積相比于傳統模塊下降40%。
• 柔性PCB板結合燒結銀工藝的封裝：Semikron公司利用SKiN封裝技術制作了1200V/400A的SiC模塊。該技術采用柔性PCB板取代鍵合線實現芯片的上下表面電氣連接，從而顯著減小了電流回路面積和雜散電感參數。模塊內部回路寄生電感僅有1.5nH，開關速度大于50kV/μs，損耗相比于傳統模塊可降低50%。
• 芯片正面平面互連封裝：除了采用柔性PCB板取代金屬鍵合線外，還可使用平面互連的連接方式來實現芯片正面的連接。例如，SiliconPower公司采用端子直連（Direct Lead Bonding，DLB）的焊接方法實現芯片之間的互連。類似的技術還有IR的Cu-Clip IGBT、Siemens的SiPLIT技術等。平面互連的方式不僅可以減小電流回路面積，進而減小雜散電感、電阻，還擁有更出色的溫度循環特性以及可靠性。
• 雙面散熱封裝技術：雙面散熱封裝工藝由于可以雙面散熱、體積小，較多用于電動汽車內部IGBT的封裝應用。該技術通過在上下表面均采用DBC板進行焊接，實現上下表面同時散熱。得益于上下DBC的對稱布線與合理的芯片布局，雙面散熱封裝可將回路寄生電感參數降到3nH以下，模塊熱阻相比于傳統封裝下降38%。

二、高溫封裝技術

SiC器件的工作溫度可達到300℃以上，而現有適用于硅器件的傳統封裝材料及結構一般工作在150℃以下。在更高溫度時，傳統封裝材料的可靠性急劇下降，甚至無法正常運行。因此，高溫封裝技術成為了SiC器件封裝技術中的另一個重要研究方向。

2.1 高溫封裝材料的選擇

為了實現SiC器件的高溫封裝，必須選擇具有高熱導率、低熱膨脹系數和良好機械性能的材料。例如，氮化鋁（AlN）陶瓷基板就是一種理想的封裝材料。AlN陶瓷基板具有高熱導率（可達320W/mK）、低熱膨脹系數（與SiC芯片的熱膨脹系數相近）和良好的機械性能，能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。

此外，氮化硅（Si3N4）陶瓷基板也逐漸受到關注。Si3N4陶瓷基板具有更低的熱膨脹系數和更高的可靠性，雖然其熱導率略低于AlN陶瓷基板，但在某些高溫應用場景下仍具有顯著優勢。

2.2 高溫封裝工藝的創新

除了選擇合適的封裝材料外，高溫封裝工藝的創新也是提高SiC器件封裝可靠性的關鍵。以下是一些典型的高溫封裝工藝：

• 活性金屬釬焊（AMB）技術：AMB技術是一種利用活性金屬（如Ti、Zr等）與陶瓷基板表面形成化學鍵合的高溫封裝技術。該技術具有高強度、高可靠性和良好的熱導率等優點，能夠滿足SiC器件高溫封裝的要求。
• 納米銀燒結技術：納米銀燒結技術是一種利用納米銀顆粒在高溫下熔化并形成致密燒結層的高溫封裝技術。該技術具有低溫燒結高溫使用、良好的高溫工作特性等優點，且燒結層的熱導率可以達到150-300W/（K·m），模塊溫度循環的可靠性提高5倍以上。此外，納米銀燒結技術還可以實現零空洞連接，進一步提高封裝的可靠性。
• 銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術：為了解決引線鍵合的寄生電感、熱應力等一系列問題，部分企業已經引入了銅夾片、銅條帶、銅箔母排等平面互連技術。這些技術通過消除焊線，使得SiC芯片通過焊接或燒結直接互連到銅導體上，實現了兩條平行的冷卻路徑。熱量可以從芯片的上下兩側消散和傳遞，從而提高了封裝的散熱性能。

三、多功能集成封裝技術

隨著電子系統的集成度和復雜度的不斷提高，對功率器件封裝的多功能集成要求也越來越高。SiC功率器件封裝不僅需要實現功率和信號的高效、高可靠連接，還需要集成保護、監測、控制等多種功能。因此，多功能集成封裝技術成為了SiC器件封裝技術中的另一個重要研究方向。

3.1 多功能集成封裝技術的優勢

多功能集成封裝技術具有以下幾個顯著優勢：

• 提高系統集成度：通過將保護、監測、控制等多種功能集成到功率器件封裝中，可以大大提高系統的集成度，減少外部元件的數量和連接線的長度，從而降低系統的成本和復雜度。
• 提高系統可靠性：集成封裝技術可以實現功率器件與其他元件之間的緊密連接和協同工作，從而提高系統的整體可靠性。例如，將溫度傳感器集成到功率器件封裝中，可以實時監測器件的工作溫度，防止過熱損壞。
• 提高系統性能：集成封裝技術可以優化功率器件與其他元件之間的信號傳輸和能量轉換路徑，從而提高系統的整體性能。例如，將柵極驅動器電路集成到功率器件封裝中，可以縮短柵極信號的傳輸路徑，提高器件的開關速度。

3.2 多功能集成封裝技術的實現方式

多功能集成封裝技術可以通過以下幾種方式實現：

• 三維封裝技術：三維封裝技術通過將多個芯片或元件垂直堆疊在一起，實現高度集成化的封裝。例如，將SiC功率器件與柵極驅動器電路、溫度傳感器等元件垂直堆疊在一起，形成一個緊湊的三維封裝模塊。這種封裝方式可以大大提高系統的集成度和性能。
• 嵌入式芯片技術：嵌入式芯片技術通過將芯片直接嵌入到PCB板或陶瓷基板中，實現芯片與基板之間的緊密連接和協同工作。例如，利用PCOC（片上電源）技術將SiC MOSFET芯片嵌入PCB內部，實現較低的電感路徑和共模電容。這種封裝方式可以減小電流回路面積和雜散電感參數，提高器件的開關速度和可靠性。
• 智能封裝技術：智能封裝技術通過在封裝中集成傳感器、微控制器等智能元件，實現功率器件的實時監測、控制和保護。例如，在SiC功率器件封裝中集成溫度傳感器和微控制器，可以實時監測器件的工作溫度并根據溫度變化調整工作參數或觸發保護機制。這種封裝方式可以提高系統的智能化水平和可靠性。

四、總結與展望

SiC功率器件的封裝技術是實現其優異性能的關鍵。低雜散電感封裝技術、高溫封裝技術以及多功能集成封裝技術是當前SiC功率器件封裝技術的三大研究熱點。這些技術通過優化封裝結構、材料和工藝，