Manufacturing Technology

高压碳化硅SiC器件封装研究

碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件作为一种宽禁带器件，具有耐高压、耐高温、导通电阻低、开关速度快等优点。如何充分发挥碳化硅器件高压高温大容量的优异性能，给封装技术带来了新的挑战。碳化硅(silicon carbide，SiC)器件作为一种宽禁带功率器件，因其具有耐高压、耐高温、开关速度快等优势，逐渐受到人们越来越多的关注。

与传统的硅半导体相比，碳化硅具有很多优点，如：碳化硅的禁带宽度更大，这使碳化硅器件拥有更低的漏电流及更高的工作温度，抗辐照能力得到提升；由于碳化硅材料击穿电场是硅的10倍，因此，其器件可设计更高的掺杂浓度及更薄的外延厚度，与相同电压等级的硅功率器件相比，导通电阻更低；碳化硅具有高电子饱和速度的特性，使器件可工作在更高的开关频率；同时，碳化硅材料更高的热导率也有助于提升系统的整体功率密度。

下图给出了碳化硅材料与硅材料的性能对比，相比于硅材料，SiC材料具有3倍的禁带宽度，可以承受比硅大10倍的电场强度，使得碳化硅器件具有耐高压特性；同时其热导率和熔点均为硅材料的3倍，使得碳化硅器件具有更高的耐高温特性；此外，SiC材料的饱和迁移速度是硅材料的2倍，且具有更低的栅极电荷（Qg）和输出电容（Coss），使得碳化硅器件具有高开关速度特性。

碳化硅器件的上述优良特性，需要通过封装与系统实现功率和信号的高效、高可靠连接，才能得到充分发挥。面向更高电压等级的碳化硅器件的研制，现有的封装技术应用于高压碳化硅器件时面临着一些关键挑战。

（1）高压封装绝缘。SiC材料击穿电场是硅的10倍，器件封装内部承受更高场强，高压封装绝缘是封装技术发展的瓶颈之一。

（2）高温封装。SiC器件具有在200~300℃高温下工作的超常能力。这个温度已经远远超出了硅器件的传统封装材料系统的适宜范围（通常不高于175℃）。适宜高温工作的连接材料未来将是制约封装技术发展的主要因素。此外，多功能集成封装技术以及先进的散热技术在提升功率密度等方面也起着关键作用。

（3）低寄生电感封装。SiC器件可以拥有更高的dV/dt和di/dt，需要研发新型的封装结构，减小杂散参数，特别是降低杂散电感。

二

高压碳化硅器件封装国内外研究进展

面向未来电网输变电装备的应用，高压碳化硅器件需要达到万伏级才能充分发挥其优势。目前，万伏级碳化硅器件封装技术仍处于实验室研究阶段。国外主要有美国Cree、日本KEPCO、美国北卡FREEDM、美国陆军实验室、美国弗吉尼亚理工大学、美国田纳西大学、瑞士苏黎世联邦理工、英国诺丁汉大学等。而国内针对高压碳化硅封装技术的研究仍处于起步阶段，公开发表的成果较少，目前主要有北京智慧能源研究院对高压碳化硅封装技术进行了一定的技术探索。关于万伏级碳化硅器件封装的研究机构及样品的现状详见下表。