SiC 功率模块封装技术（下）

杨宁等［33］的研究发现，不同金属构造的各部分热应力值如表2所示，而对应的仿真云图如图10所示。其中单层金属缓冲层因结构的不对称性，对其上下应力层需要单独分析。

图10 不同缓冲层的热应力仿真云图

表2 不同垫块金属结构的热应力值 MPa

从仿真云图中不难看出：无金属垫块缓冲层的双面散热结构的最大等效热应力为99 MPa；单层金属垫块缓冲层的双面散热结构的上基板最大等效热应力是109 MPa，下基板最大等效热应力是70 MPa，上下基板的最大等效应力结果相差较大，主要与芯片和金属层的热膨胀系数、温度差异有关；双金属层垫块缓冲层的最大等效热应力为81 MPa。

陆国权等［34］研究表明，随着钼块厚度的增加，应力缓冲效果明显，应变减小。双面互连的SiC MOSFET芯片最大von Mises应力和纳米银互连层的最大塑性应变均减小。同时，在缓冲层和上基板间烧结银互连层中增加1 mm银垫片可进一步降低双面互连结构的芯片应力和互连层应变，提高双面散热SiC模块的热机械可靠性。

与方形缓冲层对比，圆柱形缓冲层可有效消除芯片和纳米银互连层应力集中效应，大幅降低SiC芯片所承受的最大von Mises应力和烧结银互连层的最大塑性应变。采用圆柱形缓冲层时，纳米银层塑性应变比采用方形缓冲层时的纳米银层的塑性应变值减少了47.5%。这主要是因为圆柱形缓冲层边缘过渡圆润，应力分布更均匀，而方形缓冲层的边缘或尖角易造成芯片和烧结银互连层出现应力集中，造成局部热应力剧增。

双面散热引线键合式功率模块如图11所示。Nakatsu等［35］研究表明，双面散热功率模块的热阻值比引线键合功率模块约小50%；另外，它还具有优异的电学性能。

图11 双面散热引线键合式功率模块

Liang等［36］研究表明，双面散热功率模块的开关损耗降低到商业功率模块的10%，由于键合引线会使寄生参数数值较大，所以无键合线模块，寄生参数数值大幅减小，SiC芯片的耐高温、高频特性优势得到极大发挥。

模块封装中的材料都具有一定的临界热应力点，超过这一数值，就会出现断裂失效的危险。SiC功率模块的衬底尺寸主要取决于芯片的面积大小，绝缘衬底常规厚度在0.03 mm，翘曲率在3 mil/in，陶瓷材料用作绝缘衬底采用直接覆铜技术。金属层边缘采用台阶状可有效减小应力，台阶高度应为铜层的一半。

基板主要趋势是使用高性能材料，减少层数和界面的数量，同时保持电、热和机械特性。绝缘金属基板（IMS）和IMB基板仅用于中低功率模块，如EV/HEV等。主流材料正逐渐从直接覆铜（DBC）转向活性金属钎焊（AMB），并采用高性能基材。双面冷却结构将促进在模块的顶部使用第2个陶瓷基板/引线框架。

直接冷却的基板，如销鳍基板，减少热界面的数量，避免使用热界面材料（TIM）。基板和冷却系统的集成以及冷却模块设计的部署和减少热接口数量将是一个强大的趋势，为未来几年提供新的解决方案。封装技术还需要具备高温可靠性的陶瓷基板和金属底板等相应套件［37−38］。

目前能适应碳化硅设备更高运行温度的硅胶和环氧材料正在研发中。为了实现复杂和紧凑的模块设计，在包括EV/HEV等许多应用中，硅胶由于其低廉的价格，使用范围更广泛。环氧树脂材料的应用，仍受到高温下可靠性的限制。

4 失效方式汇总

功率模块的失效机理主要集中在电气、温度、材料、化学等各个方面，如图12所示。

图12 功率模块失效机理

功率模块常见的损坏有过流损坏、过热损坏和过压损坏等，过流损坏为流经功率模块的电流超过耐流值，过流冲击导致芯片发热严重，超过结温耐温值，从而损坏芯片。过压损坏为加在SiCMOSFET的漏极（G）和源极（S）间电压U GS大于耐压值，使得器件极间击穿损坏。

保障功率模块的安全运行，不仅要考虑功率模块电流电压的可承受范围，还须考虑驱动信号添加后，避免导通电路出现短路问题和上下桥臂直通等故障。因此，可以通过增加检测保护电路和对控制程序进行优化来保障功率模块的安全运行。

各种原因导致的功率模块的真实失效现象［39］如图13~图19所示。其中功率模块里的续流二极管发生短路和集电极−发射极击穿烧断等是常见的失效现象。

图13 不良焊接的表现

图14 超声引线键合的不同效果图

图15 瞬态过电流引起的器件失效现象

图16 瞬态过电流导致的芯片烧毁现象

图17 灌胶环节的不良现象

图18 功率模块过电压击穿现象

图19 功率模块栅极失效图

对功率模块通过均匀涂抹导热硅脂作为热界面材料（TIM）已经不能满足要求，采用金属烧结等方法是下一步的研究方向，另外增加散热器、风扇和温度传感器等可有效防止过热问题。增加电流互感器检测器件与RC缓冲电路和对程序驱动算法进行优化等措施可有效解决过流问题。通过母线电压采集，进行对比保护等可有效解决过压问题。

5 先进技术展望

基于焊接与引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向压接、烧结技术发展。

与焊接式功率模块相比，压接式模块的优势具体有以下几点。

（1）焊接通过引线连接芯片和PCB板，在多次功率循环后容易老化脱落，造成模块失效。而且，焊接层空洞增加热阻，降低可靠性。压接借助压力将芯片压在基板上，电流从铜板直接流过，提高可靠性。

（2）传统焊接式多为单面散热，而压接式多为双面散热，可提升散热性能，有利于器件性能的充分发挥。

（3）键合线和焊接层引入杂散参数，高频特性下，电压和电流易产生较大波动，影响芯片串联特性。

考虑到纳米银焊膏具有高导电率、高导热性和优良的延展性，且熔点显著高于传统焊料，相关科研团队利用纳米银焊膏将芯片和集电极钼层烧结在一起，成功开发出银烧结压接封装器件，显示出其在压接型功率模块的封装应用中具有一定优势。

银烧结封装可以降低压接型器件的导通电压和通态损耗，减缓芯片与发射极钼层间的接触磨损，提升器件使用寿命。

目前烧结封装技术在发展中仍然存在着不能忽略的问题，同时也提出如下一些可行性方案。

（1）由于银和SiC芯片背面材料热膨胀系数不同引起的问题，可通过添加金属缓冲层来改善互连性能，但会增加功率模块封装工艺的复杂性和成本。采用满足性能指标和可靠性的烧结层代替缓冲层，成为研发的可行性方案。

（2）银层的电迁移现象，不利于功率电子器件长期可靠应用。铜烧结既能满足减少电迁移现象，又能够降低成本，使其成为高温模具连接材料的一种很有前途的替代品。

（3）优化烧结工业，创新烧结方案，缩减预热、烧结时长，提升生产效率；流水线工作，提升可制造性和生产设计的灵活性。

（4）与无压烧结相比，低压烧结可靠度和散热性能较好。虽然部分厂商已解决压力问题，但是烧结过程中的致密性、连接层的温控和极限环境中性能退化问题还尚待解决。

上述问题的解决需要产业链上下游的联动协调攻关，部分问题随着技术进步将逐步得到解决。尽管当前模块封装几乎全是以连线键合方式为主，预计未来3~5年银烧结封装技术会是功率模块互连的主流技术。由于银离子迁移对互联结构有负面影响，加之成本和热应力适配需求，与银烧结技术类似的瞬时液相烧结（TLPS）、银铜烧结、铜烧结技术和相应的焊浆材料也在快速发展，部分技术瓶颈有望在近几年突破。芯片贴装、基板连接、模块与散热器的连接等都是烧结技术潜在的应用范围。

6 结论

本文重点分析和综述了碳化硅功率模块封装中的4个关键问题：（1）总结归纳了结构各异的低杂散参数模块封装形式，列举阐述各模块性能优势；（2）聚焦典型封装结构下，分析概括键合式功率模块的金属键合线长度、宽度和并联根数对寄生电感影响，直接覆铜（DBC）陶瓷基板中陶瓷层的面积、高度对寄生电容的影响，以及采用叠层换流技术优化寄生参数等成果；（3）在封装模块散热方面，综述了双面散热结构的缓冲层厚度和形状对散热和应力形变的影响；（4）汇总了功率模块常见失效图谱和解决措施，为模块的安全使用提供参考。最后探讨了先进烧结银技术的需求和关键问题，并展望了烧结封装技术和材料发展方向。

来源：哈尔滨理工大学，蔡 蔚，杨茂通