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功率半導體在電力電子系統中占據核心的地位。經過幾十年的發展，硅（Si）半導體已經接近理論性能極限，無法滿足越來越高的變換器性能要求。自21世紀以來，以碳化硅（Sic）為主的寬禁帶半導體受到越來越多的關注。碳化硅的禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強約為硅基材料的10倍，熱導率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。而同等耐壓下的漂移區電阻理論上可以降低到硅的1/300，在保證“高耐壓”能力的同時，實現“低導通電阻”“高開關速度”以及“高開關頻率”的特性。另外，碳化硅材料的帶隙寬度是硅的3倍，因此，碳化硅功率半導體芯片在高溫條件下也可以穩定工作。

功率芯片通過封裝實現與外部電路的連接，其性能的發揮則依賴著封裝的支持，在大功率場合下通常功率芯片會被封裝為功率模塊進行使用。傳統的功率模塊封裝截面如下圖所示。其封裝方式足以滿足硅半導體的特性需求，但在將其應用于碳化硅半導體時，則會遇到一些挑戰，限制了碳化硅半導體優異特性的發揮。

碳化硅器件的這些優良特性，需要通過封裝與電路系統實現功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現，而現有的傳統封裝技術應用于碳化硅器件時面臨著一些關鍵挑戰。

碳化硅器件的結電容更小，柵極電荷低，因此，開關速度極快，開關過程中的 dv/dt 和 di/dt 均極高。雖然器件開關損耗顯著降低，但傳統封裝中雜散電感參數較大，在極高的 di/dt 下會產生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt 也會增加共模電流。本期主要跟大家分享的是：先進碳化硅（Sic）功率半導體封裝相關的內容，希望有興趣的朋友可以加入一起交流學習，有遺漏或是不足之處，請海涵哦：

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當前，在全球汽車電動化的浪潮下，汽車半導體領域的功率電子器件作為汽車電動化的核心部件，成為了車企和電機控制器Tire 1企業關注的熱點。車用功率模塊已從硅基IGBT為主的時代，開始逐步進入以碳化硅MOSFET為核心的發展階段。

電動汽車行業發展至今，行業最關心的是續航里程。影響續航里程的因素有很多，包括電池容量、車身重量、電力系統的電能轉化效率等。功率半導體是電能轉換的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低導通損耗、高開關頻率和高工作耐壓等優勢，能獲得更高的系統電能轉換效率，且在使得同等電量情況下，比使用硅基功率器件獲得更多的續航里程。因此電動汽車對于碳化硅功率器件的應用需求日益凸顯。在電動汽車中，碳化硅功率器件的應用主要為兩個方向，一個用于電機驅動逆變器（電機控制器），另一個用于車載電源系統，主要包括：電源轉換系統（車載DC/DC）、車載充電系統（OBC）、車載空調系統（PTC和空壓機）等方面。

電動汽車整車系統中，動力電池的成本占比最高，約占整車成本的4-5成，在成本一定且電池技術路線確定的情況下，直接通過增加電池容量來提升續航里程的思路難以實現，在保證電池容量及技術路線不變的前提下，如何通過其他方法提升電能的轉化效率，降低電能損耗，實現續航里程的提升，一直是行業在探索的問題。根據目前已知的行業數據，在電機控制器中用碳化硅MOS替換硅基IGBT后，會獲得電機控制器的效率的提升，NEDC工況下，對電池續航的貢獻提升在3%-8%之間，所以電控應用對碳化硅器件的需求最為迫切。同時，在國內新能源汽車市場大力推進適應高壓快充技術的高壓平臺上，硅基IGBT應對起來就非常吃力，取而代之的是碳化硅MOS。這更加確定了碳化硅功率器件在下一代電控系統中的核心和不可替代性地位。近年來多家車企已開始全面采用碳化硅功率模塊，特斯拉的Model 3和Model Y、比亞迪的漢、蔚來的ET5和ET7、小鵬的G9和G6等車型相繼量產碳化硅電機控制器，整車的續航里程與加速性能都得到了顯著的提升。

碳化硅肖特基二極管、SiC MOSFET 器件則主要應用于車載OBC、DC/DC、空調系統，主要影響充電效率和輔助系統用電效率、開關頻率等。◎車載充電機（OBC）為電動汽車的高壓直流電池組提供了從基礎設施電網充電的關鍵功能，并決定了充電功率和效率的關鍵部件。電網中的交流電轉換為直流電對電池進行充電， 碳化硅二極管及MOSFET器件則可用于車載充電機PFC和DC-DC次級整流環節，推動車載充電機向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發展。◎電源轉換系統DC/DC 是轉變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉換器，實現車內高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉換，主要給車內低壓用電器供電，如動力轉向、水泵、車燈等。

隨著整車智能化、電氣化的發展，對DCDC的供電功率及安全性提出了更高的要求。◎車載空調系統中，在高壓平臺車型，因為快速充電所帶來的電池包的熱集聚，需要快速釋放。當前的技術是采用車載空調系統為電池包散熱，因此對于空壓機和PTC的頻率以及功率都有大幅提升的要求。而傳統的硅基IGBT和MOS器件已無法滿足，采用碳化硅MOS器件已勢不可擋。當前，全球碳化硅產業格局呈現美、歐、日三足鼎立態勢，碳化硅材料七成以上來自美國公司，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應用產業鏈，日本則在碳化硅芯片、模塊和應用開發方面占據領先優勢。中國目前已具備完整的碳化硅產業鏈，在材料制備和封測應用等部分環節具有國際競爭力。

碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件作為一種寬禁帶器件，具有耐高壓、高溫，導通電阻低，開關速度快等優點。如何充分發揮碳化硅器件的這些優勢性能則給封裝技術帶來了新的挑戰：傳統封裝雜散電感參數較大，難以匹配器件的快速開關特性；器件高溫工作時，封裝可靠性降低；以及模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求等。針對上述挑戰，本文分析傳統封裝結構中雜散電感參數大的根本原因，并對國內外的現有低寄生電感封裝方式進行分類對比；羅列比較現有提高封裝高溫可靠性的材料和制作工藝，如芯片連接材料與技術；最后，討論現有多功能集成封裝方法，介紹多種先進散熱方法。在前面綜述的基礎上，結合電力電子的發展趨勢，對 SiC 器件封裝技術進行歸納和展望。近20多年來，碳化硅(Silicon Carbide，SiC)作為一種寬禁帶功率器件，受到人們越來越多的關注。

與硅相比，碳化硅具有很多優點，如：碳化硅的禁帶寬度更大，這使碳化硅器件擁有更低的漏電流及更高的工作溫度，抗輻照能力得到提升；碳化硅材料擊穿電場是硅的 10 倍，因此，其器件可設計更高的摻雜濃度及更薄的外延厚度，與相同電壓等級的硅功率器件相比，導通電阻更低；碳化硅具有高電子飽和速度的特性，使器件可工作在更高的開關頻率；同時，碳化硅材料更高的熱導率也有助于提升系統的整體功率密度。碳化硅器件的高頻、高壓、耐高溫、開關速度快、損耗低等特性，使電力電子系統的效率和功率密度朝著更高的方向前進。碳化硅器件的這些優良特性，需要通過封裝與電路系統實現功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到完美展現，而現有的傳統封裝技術應用于碳化硅器件時面臨著一些關鍵挑戰。碳化硅器件的結電容更小，柵極電荷低，因此，開關速度極快，開關過程中的 dv/dt 和 di/dt 均極高。雖然器件開關損耗顯著降低，但傳統封裝中雜散電感參數較大，在極高的 di/dt 下會產生更大的電壓過沖以及振蕩，引起器件電壓應力、損耗的增加以及電磁干擾問題。在相同雜散電容情況下，更高的dv/dt 也會增加共模電流。針對上述問題，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。

寫在最后面的話

碳化硅（Sic）功率器件已經被認為是下一代功率電子應用的關鍵技術，其封裝技術同樣重要。從高溫穩定性到模塊集成，再到環境因子和測試驗證，封裝技術的研究和發展正與碳化硅（Sic）器件技術并行進展。隨著兩者的進一步完善，我們期待碳化硅（Sic）功率器件在未來功率電子應用中發揮更大的作用。

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審核編輯 黃宇