碳化硅作为宽禁带半导体的代表，理论上具有极其优异的性能，有望在大功率电力电子变换器中替换传统硅IGBT，进而大幅提升变换器的效率以及功率密度等性能。但是目前商用碳化硅功率模块仍然沿用传统硅IGBT模块的封装技术，且面临着高频寄生参数大、散热能力不足、耐温低、绝缘强度不足等问题，限制了碳化硅半导体优良性能的发挥。为了充分发挥碳化硅芯片潜在的巨大优势，近年来出现了许多针对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案，重点关注碳化硅功率模块封装中面临的电、热以及绝缘方面的挑战。

碳化硅芯片的最高工作结温理论上可以达到500 ℃以上，而目前传统硅基芯片的最高结温不超过175 ℃。此外，碳化硅芯片高温运行也意味着器件整体承受的热循环范围更大，通常温度循环的范围在250 ℃以上，而传统硅基器件的温度循环范围最大不超过200 ℃。

相较于传统的硅芯片，为了充分发挥碳化硅芯片高温运行的能力，需要关注耐高温且在大范围温度循环下可靠工作的封装材料。近年来出现了很多关于高温封装材料的研究，重点关注高温基板、高温焊接材料、高温互连材料以及高温塑封材料。

首先是高温的基板。常见的采用氧化铝和氮化铝的DBC在温度循环范围达到300 ℃时，仅20～30个循环次数便会失效，表明该种基板基本不适用于高温封装场合。为了降低高温运行时基板中金属层和陶瓷之间的热机械应力过大导致的基板失效问题，可以采用氮化硅作为基板中的陶瓷材料，并使用活性金属钎焊的技术将金属和陶瓷结合在一起形成基板。

传统的焊接材料中含铅的焊料熔点较高，可以满足高温运行的要求，但是不符合RoHS等相关规定的要求。含银有机焊料的工作温度低于250 ℃，且热导率较低，不利于散热。基于高含金量的合金焊料可以促进碳化硅芯片的高温运行，但是成本较高。

纳米银烧结形成的焊接层理论上可以工作在900 ℃下，同时烧结过程的温度可以控制在300 ℃以下，而且纳米银烧结形成的焊层中包含的小孔使得其热-机械性能优越，成为最具潜力的高温焊接材料之一。

采用暂态液相连接技术可以形成金属间化合物，使得焊层可以工作在400 ℃的高温下，可以作为碳化硅芯片高温焊接材料的备选之一，但是成本较高，同时存在容易氧化的问题。此外，纳米铜烧结也是新兴的高温焊接技术之一，但是工艺过程中需要制造含氢气的还原性环境，具有一定的危险性。

塑封材料在封装中可以保护半导体芯片免受外界恶劣环境的影响，同时可以提高器件整体的耐压能力。传统硅基芯片的封装中所用的塑封材料耐温低于200 ℃，无法满足碳化硅高温运行的需求。因此，需要研发适用于高温工况的塑封材料。

考虑采用密闭封装的形式，在密闭的空间中抽真空或者充入惰性气体，由此可以满足碳化硅芯片高温运行的要求并提供一定的绝缘能力。玻璃也是一种良好的耐高温塑封材料，但是其熔点较高，且杨氏模量大，用于塑封的工艺难度大且会产生很大的热机械应力。

高玻璃化转变温度的高分子聚合物（如BPDA-PDA and PA-HT），可以耐受300 ℃高温，但是该种材料无法实现较大的涂覆厚度，因而限制了其在功率半导体封装中的应用。为了充分发挥碳化硅芯片的高温运行能力，高温的塑封材料将会是很大的挑战。

本文摘编自2023年第18期《电工技术学报》，论文标题为“碳化硅功率模块封装技术综述”。本课题得到国家重点研发计划的支持。