碳化硅器件封裝面臨的挑戰

近20多年來，碳化硅(silicon carbide，SiC)器件作為一種寬禁帶功率器件，因其具有耐高壓、耐高溫、開關速度快等優勢，逐漸受到人們越來越多的關注。

下圖給出了碳化硅材料與硅材料的性能對比，相比于硅材料，SiC材料具有3倍的禁帶寬度，可以承受比硅大10倍的電場強度，使得碳化硅器件具有耐高壓特性；同時其熱導率和熔點均為硅材料的3倍，使得碳化硅器件具有更高的耐高溫特性；此外，SiC材料的飽和遷移速度是硅材料的2倍，且具有更低的柵極電荷（Q_g）和輸出電容（C_oss），使得碳化硅器件具有高開關速度特性。

碳化硅器件的上述優良特性，需要通過封裝與系統實現功率和信號的高效、高可靠連接，才能得到充分發揮。面向更高電壓等級的碳化硅器件的研制，現有的封裝技術應用于高壓碳化硅器件時面臨著一些關鍵挑戰。

（1）高壓封裝絕緣。SiC材料擊穿電場是硅的10倍，器件封裝內部承受更高場強，高壓封裝絕緣是封裝技術發展的瓶頸之一。

（2）高溫封裝。SiC器件具有在200~300℃高溫下工作的超常能力。這個溫度已經遠遠超出了硅器件的傳統封裝材料系統的適宜范圍（通常不高于175℃）。適宜高溫工作的連接材料未來將是制約封裝技術發展的主要因素。此外，多功能集成封裝技術以及先進的散熱技術在提升功率密度等方面也起著關鍵作用。

（3）低寄生電感封裝。SiC 器件可以擁有更高的dV/dt和di/dt，需要研發新型的封裝結構，減小雜散參數，特別是降低雜散電感。

高壓碳化硅器件封裝國內外研究進展

面向未來電網輸變電裝備的應用，高壓碳化硅器件需要達到萬伏級才能充分發揮其優勢。目前，萬伏級碳化硅器件封裝技術仍處于實驗室研究階段。國外主要有美國Cree、日本KEPCO、美國北卡FREEDM、美國陸軍實驗室、美國弗吉尼亞理工大學、美國田納西大學、瑞士蘇黎世聯邦理工、英國諾丁漢大學等。而國內針對高壓碳化硅封裝技術的研究仍處于起步階段，公開發表的成果較少，目前主要有北京智慧能源研究院對高壓碳化硅封裝技術進行了一定的技術探索。關于萬伏級碳化硅器件封裝的研究機構及樣品的現狀詳見下表。

（來源：功率半導體之家）