技术文章 | 碳化硅器件的封装问题亟待解决

碳化硅是一种宽禁带（WBG）半导体材料。禁带通常是指价带和导带之间的电子伏（eV）能差。价电子和原子结合形成传导电子需要这种能量，而这种传导电子可在晶格中自由移动，并可作为电荷载子导电。绝缘体拥有极高的禁带宽度，通常要高于4eV。

两者均为半导体材料，但碳化硅的性能明显优于硅材料（Si），如表1所示

表1：碳化硅与硅的性质

碳化硅的禁带宽度是硅材料的3倍，击穿电场的大小则是后者的10倍。这意味着，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的漂移区域间隔可以减少至硅器件的十分之一。此外，就漂移区域的掺杂浓度而言，碳化硅器件比硅器件高100倍。大部分高阻塞电压功率器件的导通电阻都是漂移区电阻。因此，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的导通电阻（RDSon）是硅功率器件的千分之一。

碳化硅的电子漂移速度是硅材料的两倍左右。此外，在相同的闭塞电压下，碳化硅器件的漂移距离比硅器件要短。所有这些特性都表明，与硅器件相比，碳化硅器件可在更高的开关频率下工作。

最后，碳化硅的热导率是硅材料的三倍左右。此外，碳化硅的半导体固有温度远高于1000°C。因此，在高温环境下，碳化硅器件的稳定性要优于硅器件。

与硅器件相比，碳化硅器件拥有更低的运行损耗、更快的开关速度和更出色的高温工作稳定性。这些特征能带来许多系统优势，对于下一代电源模块很有吸引力。

高温稳定性意味着碳化硅不仅可以在更高的温度下工作，而且还可以经受住不时出现的温峰（取决于任务要求）。此外，更高的开关频率能够减少产品的大小和重量，因为笨重的磁性组件被换成外形更小的元件。最后，更快的开关时间和更低的导通电阻能够减少开关和传导损耗，进而提高系统效率。

即使碳化硅属于价格（更）高的组件，系统成本通常也能得到降低。但这需要进行详尽的调查，因为碳化硅对所有常用的电力电子应用而言情况不同。Power America和欧洲电力电子中心（ECPE）等组织发布了宽禁带路线图，表明了基于碳化硅的电源模块的主要市场和应用场景。光伏逆变器、不间断电源（UPS）和电动汽车的逆变器可在短期内从碳化硅中获利，而高电压应用的实现还需要一定时间。

有了碳化硅器件后，应用不仅能够实现显著的效率改进，而且能够降低体积和重量。前提是，将该器件整合入应用的过程并不会抵消这些优点。因此，作为第一步，封装方面需要特别注意。

前面说过，每块芯片的开关和传导损耗将会极大地减少，而芯片面积也会继续缩小。最后，功率损耗的密度将会增加，从而必须仔细选择封装方式以解决较高的散热需求。此外，器件能够在更高的结温下工作，而温升还会增加。因此，对于高温稳定性、冷却和可靠性的要求将会更加严苛，必须根据情况选择模块外壳、器件连接、散热底板和散热所用的封装材料。模块外壳的新材料可能需要满足高工作温度的要求。互联器件的新技术将代替传统笨重的铝线。现在，在氮化硅活性金属钎焊（Si3N4 AMB）基板上银烧结模具能够更好地解决这些冷却和可靠性问题。我们也可以期待一些采用厚铜层、低热阻和综合散热器的创新解决方案，以优化热容、热扩散以及从芯片到冷却剂散热距离。

除上述挑战外，碳化硅快切器件还可能出现一些电气方面的问题。在断开闭锁模式这一极短的开关时间中，电压的下降会产生电流斜率，进而导致明显的过电压和振荡。放慢器件的速度并不是一个明智的选择。这种问题可通过电源模块内或附近的低电感电流解决。短路环、相反平面中的电流以及多条对称的电流路径是在设计电源模块、直流基板（包括电容）及其连接时必须考虑的基本要素。另一个问题与交流电和地面间的电容耦合有关。当开关速度极快时，这一耦合就成为了系统的关键，因为其会产生极高的电磁干扰。同样地，电源模块的巧妙设计能够尽量减少这一影响。

最后，成本或将成为碳化硅器件推广面临的最大挑战。虽然这些器件价格高昂，但它们能够大幅降低成本。但是，由于这些器件会影响系统成本，我们必须尽可能地在满足要求的情况下，减少所用的器件数量。因此，需要热管理解决方案在缩小芯片面积的同时，最大化紧凑轻巧封装的输出功率。

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