摘 要

相比于硅,SiC材料因具有寬禁帶、高導熱率、高擊穿電壓、高電子飽和漂移速率等優點 而在耐高溫、耐高壓、耐大電流的高頻大功率器件中得到了廣泛應用。傳統的引線鍵合是功率器件 最常用的互連形式之一。然而,引線鍵合固有的寄生電感和散熱問題嚴重限制了?SiC功率器件的 性能。文章首先介紹了硅功率器件的低寄生電感和高效冷卻互連技術,然后對?SiC功率器件互連 技術的研究進行了綜述。最后,總結了SiC功率器件互連技術面臨的挑戰。

0?引 言

和硅器件相比,SiC器件有著耐高溫、擊穿電壓 大、開關頻率高等諸多優點,因而適用于更高工作頻 率的功率器件。但這些優點同時也給SiC功率器件的互連封裝帶來了挑戰。?

鋁線鍵合是目前為止最常用的功率器件的互連形式,如圖1所示。功率半導體器件的底部通過焊 料和銅層技術(Direct-BondedCopper,DBC)相 連 接,頂部通過引線互連。這種互連方式帶來的寄生 電感可超過10nH,在斷開瞬間,電流變化(di/dt)?很大,容易導致電壓過沖,增加電源器件的開關損 耗,產生電磁干擾,影響開關波形。從散熱角度 來看,功率器件產生的熱量只通過底部散熱,會影響功率器件的散熱性能。功率損耗隨著開關頻率的增 加而增加,需要開發新的低寄生電感和高效散熱解決方案。

本文第1節介紹了SiC材料的性能和SiC器件的潛力。在第2節中,對硅功率器件的封裝方案進行了全面回顧。第3節詳細介紹了SiC功率器件的 封裝技術。最后,總結了?SiC?功率器件互連技術面 臨的挑戰。?

1 SiC器件的特性和優勢

和硅材料相比,4H-SiC?的帶隙提高了約3倍,?而本征載流子濃度則小得多。寬帶隙和低本征載流 子濃度使SiC器件可以在更高的溫度下工作。4HSiC的擊穿電場強度比?Si高一個數量級,能承受更 高的電壓。表1列舉了常見的半導體材料的基本屬性。?

目前為止,工程界已經有了大量?SiC?器件,如?MOSFET、肖 特 基 二 極 管、結 柵 場 效 應 晶 體 管?(JFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。在這些器件 中,SiC MOSFET?因其諸多優秀性能而倍受重視。?

圖2?顯 示 了?Si、GaN?和?SiC?器 件 的 應 用情況。SiC MOSFET 的開關速度較快,開關損耗 相 對 較 低,可 用 于 高 頻 環 境 中。相 比 之 下,由 于?IGBT?的雙極特性,其開關速度較低,開關損耗也 相對較高。與SiIGBT?相比,SiC MOSFET?的漂移 區摻雜濃度較高,導電損耗較低。SiC MOSFET 具 有更低的輸出電容和柵極電荷,可在更快的電壓切 換和電流切換(dv/dt?和?di/dt)環境下使用。高開 關速度可以提高開關頻率,從而提高功率器件的功率密度和效率。此外,SiIGBT?的開關損耗在較 高的工作溫度下會顯著增加,而SiC MOSFET?的開 關損耗隨溫度的變化不大。

2 硅基功率器件的互連形式?

硅基功率器件的互連是SiC功率器件互連的基 礎。目前較為成熟的硅基功率器件的互連主要是平 面互連、銅夾互連、芯片埋入式互連等傳統互連形 式,少部分采用一些堆疊結構來提高功率密度,降低 寄生效應,這些形式的互連工藝復雜度普遍較高,成 本也較高。?

2.1?平面互連封裝?

平面互連封裝形式眾多,其中性能比較優秀的 有西門子的平面互連封裝、多層平面互連等。西門子平面互連封裝技術(SiPLIT)是西門子公司提出 的基于平面互連技術的功率器件互連形式,如圖3?所示。SiPLIT 封裝技術的特點是在功率芯片上方 使用厚銅和絕緣層進行連接,這種結構的好處是電 源器件的寄生電感低,并且大面積金屬接觸顯著提 高了散熱能力。通過電學和熱學的表征,該互連 技術的寄生電感降低了50%,熱阻降低了20%。

2.2?銅夾互連技術?

銅夾互連技術也是一種典型的平面互連形式,?其結構如圖4所示。

扁平銅夾已用于取代傳統的鋁線,由于金屬銅 的高導電性和高導熱性,銅夾不僅可以通過降低寄 生電感來改善功率器件的開關特性,還可以將芯片 的上表面作為額外的導熱路徑。在單面冷卻測 試中,與傳統的鋁線連接相比,單個芯片的結殼熱阻 降低了23%,兩個芯片并行操作的熱阻降低了18%?左右。而在雙面冷卻實驗中,由于在銅夾上增加了 一個頂部 風 扇 冷 卻 散 熱 器,散 熱 性 能 平 均 提 高 了?18%。?

2.3?芯片埋入式互連?

圖?5?展 示 了 一 種 功 率 器 件 埋 入 式 結 構 示 意 圖[27],多種電源芯片,如IGBT、MOSFET?和二極管 等,都被嵌入在一個陶瓷基底框架內,上面采用介質 層覆蓋。然后在表面沉積金屬化多層膜,與芯片上 的焊盤形成接觸。本方案中采用濺射法沉積金屬?Ti和?Cu,使用電鍍法形成更厚的銅鍍層,如圖5中 黃色部分所示。相比傳統的引線鍵合方式,該互連 形式減少了?75%?的 寄 生 電 感,同 時 散 熱 效 率 也 有?44%的提升。

除了這種陶瓷基底結構的埋入式封裝以外,還 有將芯片直接埋入?PCB?中的方案,也稱為“Chip inPolymer”。這種方案要求半導體芯片做得足夠 薄,和無源器件一起放置在?PCB?層中,芯片和外部 的互連主要是通過激光鉆孔形成的金屬化過孔來實 現,這種形式的互連也實現了體積和功耗的顯著降 低,但同時對工藝要求更高。

3 SiC功率器件互連技術?

目前為止,已經有多種?SiC?功率器件的互連形 式,包括:平面互連,3-D?互連,混合封裝互連等,發 展經濟、高可靠、高密度的互連方法是SiC器件商業 化發展的趨勢。?

3.1?平面互連技術?

3.1.1?小型化雙面冷卻方案?

D.R.M.WOO?等 人采 用 了 新 型 材 料,為?SiC大功率逆變器器件開發了小型化雙面冷卻互連 方案,可承受220℃以上的高溫,如圖6所示。采用 了鉍銀釬料膏,研制了源柵連接的倒裝芯片鍵合技 術。其固相線溫度約260℃,液相線溫度約360℃,?相比傳統無鉛焊料,具有更高的熱穩定性。為了提 高錫膏的潤濕性,在?Al焊盤上進行了化學鍍鎳浸金 工藝,漏極互連采用?Ag燒結材料連接銅夾。通過 熱建模和表征,發現該功率器件的散熱性能較傳統 的單邊冷卻型功率器件提高了2倍。

3.1.2?疊加互連封裝?

2018年,通用電氣公司提出了一種用于千瓦級的?SiC?功 率 器 件?(PowerOverlaykiloWatt,POLkW)互連方案。典型互連器件結構示意圖如圖7所 示。在聚酰亞胺薄膜表面上使用銅通孔作為芯片和 布線層之間的互連結構。膠粘劑用于將芯片附著在 聚酰亞胺薄膜上。用激光鉆孔形成通孔,然后用電 鍍填充。DBC襯底(Ni/Au表面處理)焊接到芯片 背面?(Ag表面處理)。采用底填料進行電氣隔離和 機械加固。與傳統的引線連接互連相比,聚酰亞胺 基?Cu的互連利用率大大提高,減少了寄生電感,有 助于降低開關損耗和電壓過沖。

3.1.3?基于?LTCC的雙面冷卻方案?

H.Zhang等人在文獻[13]中提出了一種具有 雙面冷卻能力的無鍵合SiC功率器件互連方案。在 該器件中,使 用?LTCC?襯 底 作 為 電 介 質 和 芯 片 載 體。將功率器件用納米銀漿料連接到?DBC?基底的 頂部和底部。DBC 的頂部和底部鍍上銀和銅以便 相連,Cr/Ni/Ag層沉積在二極管的陽極、MOSFET?的源和柵極上。為了保護功率器件在工作過程中不 被擊穿,使用高溫介電材料來填充?LTCC?襯底和功 率器件之間的間隙。雙面冷卻的功率器件截面如圖?8所示。仿真結果表明,在相同的工作條件下,基于?LTCC的雙面冷卻模塊的熱阻較嵌入式電源模塊和?PBGA?模塊更低。

3.2 3-D互連技術

3.2.1?倒裝芯片互連技術?

S.Seal等人和?H.A.Mantooth等人[16]為SiC肖特基二極管開發了芯片級無引線鍵合互連技 術(Chip-ScaleWirelessPackaging),不僅降低了整 體的寄生效應、成本和損耗,還提高了可靠性。該方 法使用芯片倒扣焊錫球陣列來連接陽極。采用銅與 底部陰極連接。與傳統的引線鍵合互連相比,無引 線鍵合互連的二極管開態電阻降低了24%。相關 示意圖如圖9所示。

3.2.2?銅引腳互連技術?

富士電機為SiC電源模塊開發了一種銅引腳互 連結構,如圖10所示。傳統的鋁線鍵合、焊點和硅 膠互連結構分別被銅引腳連接、銀燒結連接和環氧 樹脂成型結構所取代。為了進一步降低熱阻,將更 厚的銅塊粘結在氮化硅陶瓷基板上。與傳統的氧化 鋁陶瓷結構相比,銅引腳結構使整體結構的熱阻降 低了50%。與傳統的硅基引線鍵合互連相比,?使用銅引腳結構的?SiC?器件的損耗降低了57%~ 87%。

3.3?混合封裝互連技術?

3.3.1?基于?DBC和?PCB混合封裝互連方案

文獻[19]提出了一種?SiC?功率模塊的?DBC?和?PCB混合結構,如圖11所示。在?DBC?基板上連接 多層帶槽?PCB,SiC?器件 安 裝 在 凹 槽 中,并 附 著 在?DBC襯底上。然后使用鍵合線將頂部電極連接到?PCB上的頂部銅線上。

3.3.2 DBC和?FPC混合結構?

文獻[20]提出了一種基于?DBC和?FPC混合結 構的1200V、120ASiC橋臂電源模塊。圖12顯示 了?DBC和?FPC混合結構以及與?MOSFET (Q1)和 二極管(D2)相關的換相環路。由于相反的電流流 過薄?FPC板,磁耦合效應的抵消作用很強。通過采 用薄?FPC和合理的布局設計,可以將功率模塊的寄 生電感降低至0.79nH。與商用模塊相比,在相同 去耦電容和驅動條件下,混合結構模塊的電壓過沖 量降低了約50%,開關能量損失僅為商用模塊的三 分之一。

4 SiC功率器件互連存在的問題?

目前,SiC功率器件的互連技術已經逐漸發展 成熟。不同于傳統硅基功率器件互連方案,SiC?功 率器件互連對寄生電感和散熱的要求更為嚴格。新 開發的SiC功率器件具有獨特的特性,如高速和高 頻開關等,目前在互連方面還存在一些挑戰。?

與硅器件相比,SiC MOSFET?具有更快的開關 速度、更小的外形尺寸和更低的開關損耗,可以實現 更高的開關頻率和效率。然而,在相同的功率器件 互連中,SiCMOSFET?仍不能直接用作Si器件的直 接替代品。SiC MOSFET 的一些特性,例如快速開 關速度和散熱等,對?SiC?功率器件的互連提出了重 大挑戰。開發新型互連技術還需要面臨材料選擇和 互連工藝的挑戰。新互連結構的定量測量表征也是 一個挑戰。這些問題必須在?SiC MOSFET?功率器 件互連設計中妥善處理。

4.1?快速切換速度

文獻[21]中對相同額定功率的?SiIGBT?和?SiC MOSFET進行了綜合比較,所選擇的器件來自英飛 凌的第三代SiIGBTIKW15N120H3和Cree的SiC MOSFETC2M0080120D。兩種器件的定量?dv/dt?和di/dt實測值如表2所示。可以看出,SiCMOSFET?的開關速度比SiIGBT快得多。由于SiCMOSFET的 開關速度快,其開關特性也更容易受到寄生元件即 寄生電感和寄生電容等的影響。

4.2?散熱?

基于Si IGBT?的轉換器的開關頻率通常限制在?20kHz,但SiC MOSFET?的開關頻率在開關轉 換器中可以達到100kHz。由于?SiC MOSFET?的 外形尺寸較小,在高頻時功率損耗密度會較大。因 此,SiC功率器件的熱管理更具挑戰性,特別是在高 頻情況下。傳統的單面散熱方案無法滿足?SiC?功率器件在此類應用中的散熱要求。新型的雙邊或 多邊液體冷方案在解決散熱問題的同時保持芯片結 溫處于低溫方面具有很大的潛力。?

4.3?材料選擇?

盡管SiC器件理論上能夠在高達600 ℃的高溫 下工作,受現有封裝材料的限制,SiC電源器件的 結溫溫度約為175℃。硅基電源器件所采用的大多 數封裝互連材料,如芯片粘結劑和密封劑,都不能長 時間在175 ℃以上的溫度下維持穩定,更不能在高 溫環境下使用。此外,SiC?電源器件經常用于惡劣 的環境,在較高的環境溫度和工作溫度下,材料之間 的?CTE不匹配會導致過度翹曲,從而導致SiC芯片 出現裂紋、界面分層等。因此,SiC功率器件應選用高溫穩定、高絕緣強 度、CTE匹配的互連材料。?

4.4?互連工藝?

為了實現SiC功率器件的低寄生電感和高效散 熱,需要不斷開發新型的無引線互連和拓撲結構。然而,開發新的互連技術將面臨一些工藝挑戰。在 互連過程中可能出現新的失效模式。?

目前,市面上可用的SiC功率器件都是為?Al線 鍵合而設計的。這些器件的正面焊盤金屬化是?Al,?這與無引線鍵合互連技術不兼容,需要在正面源和 柵極焊盤上附加金屬化層。因此,功率器件上?Al焊 盤的再金屬化是開發無引線互連的關鍵過程。晶圓 級或芯片級濺射工藝通常采用物理氣相沉積(PVD)?設備在原?Al焊盤上沉積一層或多層金屬化層。然 而,對于?SiC?功率?MOSFET,晶圓級焊盤再金屬化 的成本和風險非常高。由于芯片尺寸相對較小,很 難在芯片級實現焊盤再金屬化。此外,濺射條件必 須控制好;否則,焊盤再金屬化質量不好,會導致焊 盤與外層互連不良,導致互連最終失效。因此,Al?焊盤在SiC器件上的再金屬化是一個挑戰。?

粘接過程也是一個挑戰。為了提高SiC功率器 件的散熱性能,通常采用焊接或燒結材料。然而,它 們的鍵合條件很難控制,特別是在多芯片鍵合時,如 果控制不好,會在界面處產生大量空洞,導致散熱性 能變差。?

5 總 結??

大功率SiC模塊在電動汽車、光伏和電池儲能 系統中都有著廣泛應用需求。傳統互連使用的鋁線 方案存在固有的寄生電感、散熱和可靠性等問題,另 外多芯片互連還要考慮經濟型問題。業界發展了許 多低寄生電感和高效冷卻的大功率模塊經濟高效互 連方案,例如平面互連、3D?互連和?PCB嵌入式互連 等。本文介紹了?SiC?器件的性能,指出了?SiC?材料 在高工作溫度、高開關頻率等方面的優勢和應用前 景。為了全面研究功率器件的互連技術,在對?SiC?功率器件的互連技術進行介紹之前,首先對硅基功 率器件的互連方案進行了綜述,硅基功率器件是一 種具有代表性和廣泛應用的功率器件。這些互連方 案是SiC功率器件互連方案的基礎。在此基礎上,?對SiC功率器件高效冷卻互連技術進行了研究和討 論。最后,總結了?SiC?功率器件互連技術面臨的挑 戰。新互連技術的發展需要克服新的挑戰,如材料 選擇和互連工藝。在?SiC MOSFET?功率器件互連 設計中,必須重視這些挑戰。

審核編輯：黃飛

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