近几十年来，以新开展起来的第3代宽禁带功率半导体资料碳化硅（SiC）为根底的功率半导体器材，凭仗其优异的功能备受人们重视。SiC与第1代半导体资料硅（Si）、锗（Ge）和第2代半导体资料砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、GaAsAl、GaAsP等化合物比较，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，被广泛运用于替代硅基资料或硅基资料难以习惯的运用场合。
可是，现有的封装技能大多都是沿袭Si基器材的相似封装，要充分发挥碳化硅的以上功能还有许多关键问题亟待处理。
因为SiC器材的高频特性，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改变率极大，寄生电感在极大的di/dt下，极易发生电压过冲和振动现象，形成器材电压应力、损耗的添加和电磁搅扰问题。
关于在高温、酷寒等极点条件下牢靠性急剧下降等问题，急需寻求习惯不同工况的衔接资料和封装工艺，满意不同封装办法的热特性要求。
针对模块内部互扰、多面散热、大容量串并联、制形本钱和难度等问题，恰当削减热界面层数，减缩模块体积，进步功率密度和多功能集成是未来的趋势。选用先进散热技能、加压烧结工艺，规划功率半导体芯片一体化，优化多芯片布局等办法，起着必定的关键作用。
国际上的首要处理计划针对上述问题，国内外专家及其团队研制不同封装技能，用于进步模块功能，下降杂散参数，增强高温牢靠性。
美国Wolfspeed公司研制出结温超越225 ℃的高温SiC功率模块，并将功率模块的寄生电感下降到5 nH。美国GE公司的全球研讨中心规划了一种叠层母线结构，结构与模块堆叠并联的传导途径，使回路电感降至4.5 nH。德国赛米控公司选用纳米银烧结和SKiN布线技能，研制出SiC功率模块的高温、低感封装办法。德国英飞凌公司选用压接衔接技能，研制出高压SiC功率模块。德国Fraunholfer研讨所选用3D集成技能研制出高温（200 ℃）、低感（≤1 nH） SiC功率模块。瑞士ABB公司选用3D封装布局，研制出大功率低感SiC功率模块。瑞士ETH选用紧凑化规划，优化功率回路，研制出寄生电感≤1 nH的低电感SiC功率模块［14］。日本尼桑公司根据双层直接敷铜板（direct bonded copper， DBC）封装，研制出低感SiC功率模块，运用于车用电机操控器。
上述碳化硅的优秀特性，只要经过模块封装布局的牢靠性规划、封装资料的选型、参数的优化、信号的高效和封装工艺的改进，才干得以充分发挥。
本文提出的处理计划评论本文中要点聚集典型封装结构下，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能内容的整理总结，最终展望了未来加压烧结封装技能和资料的开展。
（1）传统封装：Wolfspeed、Rohm和Semikron等制作商大多延用传统Si基封装办法，功率等级较低，含有金属键合线，杂散电感较大。
（2）DBC+PCB混合封装：Cha等和Seal等把DBC和PCB板进行整合，经过键合线衔接芯片和PCB板，研创出DBC+PCB混合封装。完成了直接在PCB层间操控换流回路，减缩换流途径来减小寄生电感。
（3）SKiN封装：德国Semikron公司选用纳米银烧结和SKiN布线技能，选用柔性 PCB板替代键合线完成芯片的上下外表电气衔接，模块内部回路寄生电感仅为1.5 nH。
（4）平面互连封装：经过消除金属键合线，将电流回路从DBC板平面布局拓宽到芯片上下平面的层间布局，显着减小了回路面积，下降了杂散电感参数，如Silicon Power公司选用端子直连（DLB）、IR的Cu-Clip IGBT和Siemens的SiPLIT技能等。
（5）双面焊接（烧结）封装：在功率芯片两边焊接DBC散热基板，为芯片上下外表供给散热通道；或许运用银烧结技能将芯片一面焊接DBC，另一面衔接铝片。双面散热既能优化基板边际场强，还能够下降电磁搅扰（EMI），减小桥臂中点的对地寄生电容，使其具有损耗低、热功能好、制形本钱低一级长处。
橡树岭实验室、中车年代电气、天津大学和CPES等能够将寄生电感下降至5 nH。一起，铜烧结作为一种更低本钱的芯片衔接计划更被视为是未来几年的研讨热门。现在双面散热技能首要运用在新能源电动车内部模块。
（6）压接封装：压接型器材各层组件界面间依托压力触摸完成电热传导，分为凸台式和绷簧式两类。与焊接型器材比较，压接封装结构模块具有高功率密度、双面散热、低通态损耗、抗冲击能力强、耐失效短路和易于串联等长处，并且选用数量较少的压接型模块便可满意换流时电压等级和容量需求，但因为密封等要求多选用LTCC陶瓷规划，本钱较高，且压接封装结构杂乱，现在只用于高压模块的制作，具有必定的运用商场。但离轿车范畴的实践运用尚有必定的间隔。
（7）三维（3D）封装：Tokuyama等和Herbsommer等将SiC模块的上桥臂直接叠加在下桥臂上，因为SiC模块的结构是笔直型的，能够大幅缩短换流回路的物理长度，以进一步削减与di/dt相关的问题。现在该封装技能最大的优势是能够将模块寄生电感降至1 nH以下。还有将电压动摇最大的端子放置在三维夹心结构的中心，使端子与散热器之间的寄生电容急剧下降，从而按捺了电磁搅扰噪声。
关于金属引线维封装结构，经过降维处理，能够极大简化功率模块结构的仿真时刻，将三维立体结构转换为2D平面结构的研讨为全体功率模块的研讨运用奠定了根底，如图2所示。
本文中选用ANSYSQ3D仿真软件进行模型寄生参数提取，以单条金属键合线的长度l和直径d作为待优化参数，仿真剖析l和d对寄生电感的影响特性，如图3所示。
各层的厚度h1-h7和边距a1-a3为优化参数，其间，a3是DBC结构上层铜间隔陶瓷层边际的间隔，因为绝缘功能、DBC小坑和阻焊等工艺的需求，a3遍及等于1 mm。传统典型2维封装结构模块各层宽度w和厚度h的详细尺度如表1所示。
ε0=8.85×10−12F/m，标明真空介电常数；εr=9，标明Al2O3陶瓷相对介电常数，关于陶瓷AIN和陶瓷Si3N4，相对介电常数别离等于8.8和6.7。寄生参数散布仿线所示，经验证与
下降开关器材换流回路中电流流转途径所经过的面积，能够减小杂散电感，将上半桥SiC MOSFET的续流二极管和下半桥的SiC MOSFET进行方位交换，减小换流途径的导通面积，可下降杂散电感，如图6所示，其仿线所示。
金属键合线的寄生电感越小，寄生振动越细微，开关关断过程中的电压冲击越小，开关速率越高，开关损耗越小；与此一起，键合线的寄生电容也应尽或许小，以按捺电磁搅扰的影响。
双面散热的功率模块封装结构能够经过撤销金属键合线，添加缓冲层并对缓冲层的形状、资料、尺度的优化，可减小杂散电感，添加散热途径，下降功率模块中芯片所接受的长时刻高温损害，进步模块的运用寿命。
图9所示，其间无缓冲层和双层缓冲层均为对称结构。缓冲层可有不同办法，其间有的选用金属垫块。文献中研讨了芯片发热状态下3种模块所受最高结温文金属垫块结构所接受的热应力散布状况。
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效果相差较大，首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。
陆国权等研讨标明，跟着钼块厚度的添加，应力缓冲作用显着，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。一起，在缓冲层和上基板间烧结银互连层中添加1 mm银垫片可进一步下降双面互连结构的芯片应力和互连层应变，进步双面散热SiC模块的热机械牢靠性。
与方形缓冲层比照，圆柱形缓冲层可有用消除芯片和纳米银互连层应力会集效应，大幅下降SiC芯片所接受的最大von Mises应力和烧结银互连层的最大塑性应变。选用圆柱形缓冲层时，纳米银层塑性应变比选用方形缓冲层时的纳米银层的塑性应变值削减了47.5%。这首要是因为圆柱形缓冲层边际过渡圆润，应力散布更均匀，而方形缓冲层的边际或尖角易形成芯片和烧结银互连层呈现应力会集，形成部分热应力剧增。
双面散热引线所示。Nakatsu等研讨标明，双面散热功率模块的热阻值比引线%；别的，它还具有优异的电学功能。
模块封装中的资料都具有必定的临界热应力点，超越这一数值，就会呈现开裂失效的风险。SiC 功率模块的衬底尺度首要取决于芯片的面积巨细，绝缘衬底惯例厚度在0.03 mm，翘曲率在3 mil/in，陶瓷资料用作绝缘衬底选用直接覆铜技能。金属层边际选用台阶状可有用减小应力，台阶高度应为铜层的一半。
基板首要趋势是运用高功能资料，削减层数和界面的数量，一起坚持电、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。干流资料正逐渐从直接覆铜（DBC）转向活性金属钎焊（AMB），并选用高功能基材。双面冷却结构将促进在模块的顶部运用第2个陶瓷基板/引线结构。
直接冷却的基板，如销鳍基板，削减热界面的数量，避免运用热界面资料（TIM）。基板和冷却系统的集成以及冷却模块规划的布置和削减热接口数量将是一个强壮的趋势，为未来几年供给新的处理计划。封装技能还需求具有高温牢靠性的陶瓷基板和金属底板等相应套件。
现在能习惯碳化硅设备更高运转温度的硅胶和环氧资料正在研制中。为了完成杂乱和紧凑的模块规划，在包含EV/HEV等许多运用中，硅胶因为其低价的价格，运用规模更广泛。环氧树脂资料的运用，仍遭到高温下牢靠性的约束。
保证功率模块的安全运转，不只要考虑功率模块电流电压的可接受规模，还须考虑驱动信号添加后，避免导通电路呈现短路问题和上下桥臂直通等毛病。因而，能够经过添加检测维护电路和对操控程序进行优化来保证功率模块的安全运转。
各种原因导致的功率模块的线所示。其间功率模块里的续流二极管发生短路和集电极-****极击穿烧断等是常见的失效现象。
对功率模块经过均匀涂改导热硅脂作为热界面资料（TIM）现已不能满意要求，选用金属烧结等办法是下一步的研讨方向，别的添加散热器、电扇和温度传感器等可有用避免过热问题。添加电流互感器检测器材与RC缓冲电路和对程序驱动算法进行优化等办法可有用处理过流问题。经过母线电压收集，进行比照维护等可有用处理过压问题。
根据焊接与引线键合的传统资料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线环绕、寄生参数等无法处理的问题，新式互连资料正从焊接向压接、烧结技能开展。
（2） 传统焊接式多为单面散热，而压接式多为双面散热，可进步散热功能，有利于器材功能的充分发挥。
（3） 键合线和焊接层引进杂散参数，高频特性下，电压和电流易发生较大动摇，影响芯片串联特性。
考虑到纳米银焊膏具有高导电率、高导热性和优秀的延展性，且熔点显着高于传统焊料，相关科研团队运用纳米银焊膏将芯片和集电极钼层烧结在一起，成功开宣布银烧结压接封装器材，显示出其在压接型功率模块的封装运用中具有必定优势。
银烧结封装能够下降压接型器材的导通电压和通态损耗，减缓芯片与****极钼层间的触摸磨损，进步器材运用寿命。
现在烧结封装技能在开展中依然存在着不能疏忽的问题，一起也提出如下一些可行性计划。（1） 因为银和SiC芯片反面资料热膨胀系数不同引起的问题，可经过添加金属缓冲层来改进互连功能，但会添加功率模块封装工艺的杂乱性和本钱。选用满意功能指标和牢靠性的烧结层替代缓冲层，成为研制的可行性计划。
（2） 银层的电搬迁现象，不利于功率电子器材长时间牢靠运用。铜烧结既能满意削减电搬迁现象，又能够下降本钱，使其成为高温模具衔接资料的一种很有出路的替代品。
（3） 优化烧结工业，立异烧结计划，减缩预热、烧结时长，进步出产功率；流水线作业，进步可制作性和出产规划的灵活性。
（4） 与无压烧结比较，低压烧结牢靠度和散热功能较好。虽然部分厂商已处理压力问题，可是烧结过程中的细密性、衔接层的温控和极限环境中功能退化问题还尚待处理。
上述问题的处理需求产业链上下游的联动和谐攻关，部分问题跟着技能进步将逐渐得到处理。虽然当时模块封装简直全是以连线键合办法为主，估计未来3~5年银烧结封装技能会是功率模块互连的干流技能。因为银离子搬迁对互联结构有负面影响，加之本钱和热应力适配需求，与银烧结技能相似的瞬时液相烧结（TLPS）、银铜烧结、铜烧结技能和相应的焊浆资料也在快速开展，部分技能瓶颈有望在近几年打破。芯片贴装、基板衔接、模块与散热器的衔接等都是烧结技能潜在的运用规模。
（2）聚集典型封装结构下，剖析归纳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，以及选用叠层换流技能优化寄生参数等效果；
（4）汇总了功率模块常见失效图谱和处理办法，为模块的安全运用供给参阅。最终探讨了先进烧结银技能的需求和关键问题，并展望了烧结封装技能和资料开展方向。
