碳化硅（SiC）芯片封装工艺中有哪些“难念的经”？

以下文章来源于IN SEMI ，作者微安

IN SEMI

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封装，Package。

是把集成电路装配为最终产品的过程。简单地说，就是把集成电路裸片（Die）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。

作为动词，“封装”强调的是安放、固定、密封、引线的过程和动作；

作为名词，“封装”强调其保护芯片、增强电热性能、方便整机装配的重要作用，关注封装的形式、类别，关注基底、外壳、引线的材料。

从“封装”一词的释义中也就看出来，半导体封装是一门多学科交叉结合的工作。

功率芯片封装

首先你要搞懂芯片，这个就难退一众微电子学的毕业生了。然后你还要掌握热学、机械、电学、力学、材料等多个学科的知识！这其中，拿材料举例，封装材料中又涉及互连材料、衬底材料、热界面材料、灌封材料等细分产品的知识，不可谓不难！

而碳化硅封装，又在此基础上，困难更甚。主要是因为目前我们传统的功率器件封装技术都是为 Si 基功率器件设计的，将其用于宽禁带半导体功率器件时，会在使用频率、散热、可靠性等方面带来新的挑战，封装技术正成为宽禁带功率器件的技术瓶颈。

展开讲困难之前，我们先认识下两种封装形式。

01

将晶圆封装成器件

器件的封装是把衬底、氧化物、金属装在塑料当中，这样可以保护芯片、增强电热性能；同时，使用金属，将源极、漏极、栅极都引出，方便宏观的接线，方便之后在电路中的使用。

那按照安装在PCB板上的方式来划分，器件封装主要有两大类：插入式和表面贴装式。

插入式封装形式展示

表面贴装式封装形式展示

举个例子，泰科天润已量产TO-220F封装形式，具体型号包括：

■ 650V 2/3/4/5/6/8/10/20A;

■ 1200V 2//5/10/15A等。

TO-220封装是一种常规直插式的封装形式，区别是TO-220F是全塑封装，在上散热器时不用加绝缘垫；TO-220AC的金属片与引脚是相连的，如装散热器的话要加绝缘垫。

02

将多种器件进一步做成模组（系统）

常见的有三大类：COB封装（Chip On Board，板上芯片封装）是将多种芯片直接装在基板上，从而成为一个完整的系统；SIP封装（System In a Package，系统级封装），也叫做SOP封装（System On a Package），是对多种芯片进行并排或叠加后统一封装，从而成为一个完整的系统；SOC封装（System On a Chip，系统级芯片）是将多种功能都集成都一块芯片上，芯片本身就是一个完整的系统。在芯片制程中就系统化，这样封装的就是一个芯片，而不需要大的基板。

化合物半导体市场

SiC功率模块封装技术的新挑战

New challenge

01

引线键合和复杂的内部互连结构带来的问题

引线键合和复杂的内部互连结构带来较大的寄生电容和寄生电感。SiC 功率芯片的开关速度可以更快，因而电压和电流随时间的变化率（dv/dt 和di/dt）就更大，这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡，会引起开关损耗的增加，严重时甚至会引起功率器件的误开关，因此 SiC 功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。

传统Si基功率模块封装存在寄生参数过高，散热效率差的问题，这主要是由于传统封装采用了引线键合和单边散热技术，针对这两大问题，SiC 功率模块封装在结构上采用了无引线互连（wireless interconnection）和双面散热（double-side cooling）技术，同时选用了导热系数更好的衬底材料，并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等，研发出了多种不同的模块封装技术。

直接导线键合结构（DLB，Direct-LeadBonding）

直接导线键合结构如图 1[3]所示，该结构最大的特点就是利用焊料，将铜导线与芯片表面直接连接在一起，相对引线键合技术，该技术使用的铜导线可有效降低寄生电感，同时由于铜导线与芯片表面互连面积大，还可以提高互连可靠性。三菱公司利用该结构开发的 IGBT 模块，相比引线键合模块内部电感降低至 57%，内部引线电阻减小一半[4]。

SKiN 结构

SKiN 结构如图 2[5]所示，该模块结构也是一种无引线键合的结构，它采用了双层柔软的印刷线路板同时用于连接 MOSFET 和用作电流通路，赛米控（SEMIKRON）公司采用该种结构开发的 1 200 V/ 400 A（8 个 50A SiC MOSFET 芯片并联）半桥功率模块的寄生电感小于 1.4 nH。

赛米控平面互连工艺（SiPLIT）

赛米控平面互连工艺如图 3[6]所示，该结构在将功率芯片与覆铜陶瓷版连接后，在芯片的正面利用真空层压工艺制备一层高可靠性的绝缘薄膜，然后在薄膜表面淀积一层 50～200 μm 厚的铜作为互连。与铝线键合工艺相比，由于厚铜与衬底的接触面积增大，该结构可以降低 20% 的热阻以及 50% 的寄生电感，并且可以提高功率循环性能。

2.5D 和 3D 模块封装结构

为进一步降低寄生效应，使用多层衬底的 2.5D 和3D 模块封装结构被开发出来用于功率芯片之间或者功率芯片与驱动电路之间的互连。在 2.5D 结构中，不同的功率芯片被焊接在同一块衬底上，而芯片间的互连通过增加的一层转接板中的金属连线实现，转接板与功率芯片靠得很近，需要使用耐高温的材料，低温共烧陶瓷（LTCC）转接板常被用于该结构，图 4[7]为一种 2.5D 模块封装结构。

而在 3D 模块封装结构中，两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连，图 5[8]是一种利用紧压工艺（Press-Pack）实现的 3D 模块封装，这种紧压工艺采用直接接触的方式而不是引线键合或者焊接方式实现金属和芯片间的互连，如图 5 所示，该结构包含3 层导电导热的平板，平板间放置功率芯片，平板的尺寸由互连的芯片尺寸以及芯片表面需要互连的版图结构确定，整个结构的厚度一般小于 5 mm。图示封装结构有限元模拟的表面结果，其寄生电感仅 0.86 nH。

图6[9]是另一种 3D 模块封装结构，该结构通过低温共烧陶瓷工艺，实现了功率芯片和驱动电路的垂直互连，该结构还可以方便地将被动元件集成在低温共烧陶瓷衬底上。

02

功率器件散热方面高要求带来的问题

SiC 功率器件在散热方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的温度下，在相同功率等级下，其功率模块较 Si 功率模块在体积上大幅降低，因此对散热的要求就更高。如果工作时的温度过高，不但会引起器件性能的下降，还会因为不同封装材料的热膨胀系数（CTE）失配以及界面处存在的热应力带来可靠性问题。

传统的硅基功率模块工作温度一般低于 175 ℃，而碳化硅功率模块会工作在更高的温度下和更大的电场下，因此对封装材料在热电可靠性方面提出了更高的要求。

键合引线材料

尽管无引线键合可以有效地降低功率模块的寄生电感，但引线键合作为一种工艺成熟、低成本的互连技术仍广泛应用于功率模块封装以及 TO 系列分立器件封装中。

互联材料一览

近年来，随着功率器件封装要求的提高，引线键合材料也得到了新的发展，如大功率器件上的铝带键合技术实现了对铝线键合技术的替代。

其实“丝”和“带”是两种常见并且有鲜明特点的键合材料，比较容易选择，笔者认为键合带具有更大的优势。

键合带相比键合丝具有更大的优势：

·更好的导电性；

·更强的通流能力；·更高的抗热疲劳能力；

·更好的抗机械振动能力；·较低的接触电阻和寄生电感；

·可实现较低的弧度；

·可纵向叠加增加铝带密度；

·可分散芯片表面的键合压力，最大程度保护芯片不受损伤；键合带相比键合丝的不足：

·横向角度的灵活性较差，只能直线分布；

·受到芯片布局影响；·相对材料成本较高；

·相对设备配件成本较高；

如果模块走线基本都是简单的直线型；芯片的有效键合面积内有足够区域可以绑定键合带；单颗芯片使用键合铝带总的载流值大于所使用键合丝的最大根数的载流值，可以尝试使用铝带。

铜材料由于其导电导热性能均优于铝材料，且与硅材料的热膨胀系数失配小于铝与硅材料，因此铜替代铝是封装互连发展的趋势，但是铜替代铝又存在着材料价格高，生产设备升级等成本因素，因此在现阶段用于引线键合的铝铜复合引线或铝铜复合带（Ribbon）材料得以发展，实现了封装互连材料的一种过渡。

纯铜键合材料可以说是在键合丝和键合带中的“战斗鸡”。

性能优势大家有目共睹，键合铜丝在DBC之间的互联应用也非常多，例如英飞凌工业模块已经在IGBT模块中有大量应用。

但是纯铜键合丝在芯片上的互联技术还是有挑战，因为铜丝硬度较高，芯片表面大多为电镀铝、金和银等材料强度不足以承受铜丝的超声功率及压力，所以想要实现铜丝在芯片表面直接互联，芯片表面需要有一层足够硬的金属层。

如英飞凌的.XT技术，在芯片表面镀铜，使芯片表面具有坚硬的表面。

芯片焊接材料

目前的焊接材料多用锡/铅基的软焊料，这种焊料存在以下缺点：1、焊料在工艺过程中容易与铜互连材料形成金属间化合物，形成化合物后脆性变大，容易发生断裂等可靠性问题；

2、锡/铅基的软焊料的熔点较低，限制了碳化硅功率器件的应用范围；

3、焊料中含铅，会造成环境的污染。

使用银、铜等的微米纳米金属颗粒制备的焊膏取代锡/铅基软焊料，利用微米纳米颗粒的尺寸效应，可以在较低的温度下进行烧结，烧结后成为熔点很高的金属块材，而且具备良好的导电导热性能，可以较好地解决上述问题。

SiC基片比硅基片更小更薄。将SiC基片与烧结银（作为基片与框架的连接处）结合使用时，却能拥有SiC基片的优势。这些优势包括更高的开关速度和更高的效率，从而带来更高的热密度，进而得到更小的最终产品。

如果不考虑成本问题，采用银烧结是SIC模块很好的解决方案，例如东芝本月初发布了用于碳化硅（SiC）功率模块的封装技术，宣城能够使产品的可靠性提升一倍，同时减少 20% 的封装尺寸的 iXPLV产品，就是采用了银烧结的解决方案！

除烧结银外，铜焊膏因其与主要互连材料材质相同，并且具有良好的热、电性能，与银焊膏相比，具有更低的价格和更好的抗电迁移性能，近年来也逐步成为研究热点，尤其是采用纳米铜颗粒作为介质实现铜-铜直接互连，在电子封装互连领域具备极大的潜力。

碳化硅在电力电子领域的应用前景一片光明，封装这些“难念的经”，终究都会被克服，产业继续向前发展！

本文参考文献：

浅谈芯片堆叠技术在SiP中应用

5G+IoT带动SiP需求，终端应用纷纷追捧

https://news.hqew.com/info-352781

SiC功率器件的性能表征、封装测试与系统集成 重庆大学 曾正

看完这篇，请不要再说不懂MOSFET！

国产高可靠性碳化硅器件TO220F/TO220I封装使得生产更便捷，电源更可靠碳化硅功率模块封装技术进展

文稿来源：insemi

图片来源：拍信网

碳化硅和氮化镓的同与不同

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