基于SIC的分立器件和功率模块目前已广泛应用于高效电源转换领域，如电动汽车牵引逆变器、车载充电器、光伏逆变器和工业驱动器。相较于传统的硅基器件，这种宽禁带材料具有更高的击穿电压、结温和工作开关频率。

碳化硅在热性能方面也具备潜在优势，这主要归功于其优异的热导率(见表1)。

SiC的高击穿电场使得在给定耐压等级下可缩减芯片尺寸。但芯片需在更小的面积上耗散相同的功率。同时，SiC器件能够在超过200°C的结温(TJ)下工作，远超传统焊料芯片贴装技术的极限，这使得封装设计成为一项关键决策。

本文旨在探讨实现SiC功率器件高效、安全运行的封装技术。文章将遵循自下而上的逻辑顺序，依次介绍芯片贴装、互连、基板，最后讨论冷却技术。

先进芯片贴装技术

芯片贴装层用于将半导体芯片与基板结合，是热传导路径上的首个界面，因此也是最常见的失效点之一(见图1)。传统的锡铅或锡银铜焊料不适用于SiC的高工作温度及其高刚度。

图1

此外，将SiC芯片贴装到通常用于硅器件的基板上，会因热膨胀系数(CTE)的差异而产生局部机械应力。

银烧结和铜烧结技术用银(Ag)或铜(Cu)微米/纳米颗粒层替代焊料，这些颗粒在芯片与基板之间被压实。银粉或铜粉在加热和机械压力下进行烧结，而金属并未熔化，从而在SiC芯片与基板之间形成牢固且具有高导电性的连接。

这种致密且近乎纯金属的连接，其热导率比焊料高出数倍，熔点接近纯银或纯铜(> 900°C)。该方法确保了在更高结温下的可靠运行，同时具有更优的抗热疲劳性能，并延长了功率循环寿命。

图2所示为AMX Micro-Punch烧结工具。该系统能够对放置在基板上的每个元件单独施加压力，并通过控制面板界面设定压力和温度参数。

目前，银烧结是高可靠性电力电子领域最先进的烧结技术。然而，铜烧结因成本更低、原材料丰富且机械强度高，正逐渐成为一种替代技术。

图2

赛米控丹佛斯基于单面烧结技术，开发了其独有的双面烧结工艺，称为SKiN技术。大多数功率半导体芯片的正面连接采用超声波焊接的铝线键合。该公司表示，在采用银烧结替代背面连接后，唯一的薄弱环节就只剩下了线键合。

赛米控丹佛斯通过将烧结技术与柔性箔层相结合解决了这一问题(见图3)。该技术不仅取代了芯片侧的键合线，还替代了直接覆铜(DBC)基板各段之间的连接。这使得芯片正面几乎整个表面都可作为电气连接点。这种面连接比线键合更坚固，具有更强的功率循环耐受性。

图3

无键合线互连技术

硅器件常用的经典方案是铝线键合。但键合线会引入显著的寄生(环路)电感，这与SiC的高开关频率不兼容。在较高的开关电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt)下，寄生电感会导致电压过冲、振铃和电磁干扰(EMI)。此外，反复的热循环可能使键合引脚弯曲，可能导致脱落或开裂。

无键合线互连的第一个示例是铜夹片或平面铜结构。与线键合不同，它们采用刚性、低外形的铜连接件，覆盖芯片顶部表面更大的区域。

该方案相比线键合具有更低的环路电感，并使电流在芯片内分布更均匀。结合双面烧结技术，这为芯片顶部开辟了额外的散热路径。

但集成度最高的解决方案是嵌入式芯片(PCB)封装。该技术将裸SiC芯片直接集成到PCB层内，完全摒弃了传统的引线框架和封装体。

互连通过电镀微过孔实现，而非线键合，从而在芯片与电路之间提供了最短的电气路径。该方案降低了寄生电感(实际上可降至接近零)并减小了封装厚度(与PCB厚度相同)，使器件能够以高频率开关且EMI更低。

东芝电子欧洲公司在2026年PCIM Expo & Conference上展示了其PCB嵌入式芯片技术，该技术允许将SiC mosfet裸片等功率半导体器件嵌入PCB层中(图4)。

图4

这种先进封装的优势在于最大限度地减小器件占板面积、优化热管理，并消除影响高频开关功率器件的寄生电感。东芝表示，展会上展示的原型适用于汽车逆变器等电气化应用，可提供兆瓦级输出功率。该技术仍处于研发阶段，东芝正在考虑与潜在客户建立合作伙伴关系。

引脚与栅极驱动架构

开尔文源极在SiC分立器件中很常见。它基于专用引脚，该引脚仅用作栅极驱动器返回信号的参考点，与主功率源极路径分离。若没有它，高di/dt负载电流流经与栅极返回路径相同的引线会产生电压降，从而扰乱驱动器检测到的栅源电压，导致开关速度变慢并增加损耗。

开尔文连接常见于TO-247-4和多引线表面贴装封装中，它将栅极返回路径与功率电流路径隔离，从而即使在高di/dt条件下也能实现更纯净、更快的开关。

基板

基板位于芯片贴装层与底板之间，提供电气隔离、机械支撑和导热路径。硅功率器件和模块通常采用氧化铝(Al₂O₃)陶瓷上的DBC工艺制造。然而，氧化铝的机械强度较低，且与SiC的CTE不匹配，在器件剧烈的热循环工作下可能导致开裂。

主动金属钎焊(AMB)基板解决了这一问题。该基板使用高温钎料将铜直接键合到更坚韧的陶瓷上，如氮化硅(Si₃N₄)或氮化铝(AlN)，而非标准DBC使用的氧化键合工艺。

Si₃N₄比氧化铝具有更高的断裂韧性和抗弯强度，因此在反复热循环下具有更好的抗开裂能力，其热导率适中(约70-90 W/m·K)。AlN的热导率高于Si₃N₄(约170–200 W/m·K)，但更脆，因此更适合热循环不那么剧烈的应用。

灌封与热界面材料(TIMs)

灌封材料是围绕芯片和键合线的某种凝胶或模塑化合物，用于保护功率模块免受湿气、污染和高压电弧(局部放电)的影响。传统的软硅凝胶适用于最高150°C的硅基功率器件。然而，对于持续在175-200°C范围内工作的SiC模块，它们开始降解、释放气体或失去介电强度。

对于SiC器件，主要有两种替代方案：具有改进热稳定性的特种高温硅凝胶，以及用于转移模塑封装的刚性、高填充环氧模塑化合物(EMC)。EMC提供更高的玻璃化转变温度、更强的局部放电耐受性和机械刚性。它们能防止芯片在热循环期间移动，但相较于软凝胶，会对芯片和互连施加更大的机械应力。

SiC功率模块封装使用热界面材料来处理器件在高开关频率和结温下产生的高热流密度。纳米银TIM采用银纳米颗粒，在热循环条件下表现出高导热性和可靠性。

液态金属TIM，通常基于镓合金，为极端散热应用提供更高的导热性。它们常用于压接式组件中，以实现无压力互连并降低热机械应力。

冷却技术

即使优化了芯片贴装、互连和基板，热量仍需从模块底板散发出去。典型设计通常通过一层薄薄的导热膏或导热垫将底板用螺栓固定到独立的散热器上。但这层材料很薄，其热阻往往高于热传导路径中任何其他部分。

直接液体冷却消除了这一界面。在该技术中，冷却结构(图5)，通常是一组针状散热片，被直接集成在模块的铜底板内部或之上。这意味着冷却液直接接触散热片，而不是通过单独用螺栓固定的散热器。

图5

该方案从热传导路径中消除了TIM/导热膏层，降低了热阻，并允许采用更小、更轻的冷却系统。如今，这已成为汽车牵引逆变器模块的标准方法，并且在工业驱动器中的应用也日益增多。在这种应用中，针状散热片底板通过O型圈与冷却通道密封，而非使用导热膏界面。

图6

双面冷却(DSC)封装也广泛用于基于SiC的功率模块。这类封装通常采用双面的银烧结互连和DBC/AMB基板，以实现更高的功率耗散和更好的可靠性。图6展示了博格华纳开发的DSC 800V SiC功率模块，非常适合电动汽车牵引逆变器。该DSC功率模块设计用于从SiC功率开关的两侧散热，从而允许更低的结温或更高的电流密度。