功率半导体在电力电子系统中占据核心的地位。经过几十年的发展，硅半导体已经接近理论性能极限，无法满足越来越高的变换器性能要求。自21世纪以来，以碳化硅（SiC）为主的宽禁带半导体受到越来越多的关注。碳化硅的绝缘击穿场强是硅的10倍，而同等耐压下的漂移区电阻理论上可以降低到硅的1/300，在保证“高耐压”能力的同时，实现“低导通电阻”“高开关速度”以及“高开关频率”的特性。另外，碳化硅材料的带隙宽度是硅的3倍，因此，碳化硅功率半导体芯片在高温条件下也可以稳定工作。

功率芯片通过封装实现与外部电路的连接，其性能的发挥则依赖着封装的支持，在大功率场合下通常功率芯片会被封装为功率模块进行使用。传统的功率模块封装截面如图1所示。其封装方式足以满足硅半导体的特性需求，但在将其应用于碳化硅半导体时，则会遇到一些挑战，限制了碳化硅半导体优异特性的发挥。目前，碳化硅功率模块封装的主要挑战体现在电性能的发挥、芯片的热管理、芯片的高温运行以及长期可靠的绝缘四个方面。

图1 传统功率模块封装截面

电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的王来利、赵成、张彤宇 等，从优化设计方法所依据的基本原理出发，对各种优化技术进行分类总结，涵盖了降低高频寄生电感、增强散热性能、提高耐高温能力以及提升绝缘强度的一系列相关技术。在此基础上，对相关的可靠性问题进行总结，并对碳化硅功率模块所面临的挑战与机遇进行分析与展望。

针对碳化硅功率模块封装可靠性问题，研究者表示，由于不同材料之间热膨胀系数的差异，使得不同材料连接处在温度变化时，承受周期性的应力作用导致塑性应力积累而发生失效，引发可靠性问题。商用的碳化硅功率模块推荐使用条件基本和传统硅基IGBT模块相同，采用键合线互连结构，如图1所示。其中所采用的封装工艺和传统的硅基器件相同，唯一的区别是碳化硅本身的热膨胀系数和硅略有不同。在正常的工作范围内，碳化硅功率模块的封装与传统硅IGBT功率模块的可靠性相近。

他们指出，碳化硅芯片可以在更高的温度下使用，在高温条件下运行时，相应的封装将承受范围更大的温度循环，由此对于碳化硅模块封装的可靠性带来挑战。其中，传统的Al2O3和AlN覆铜陶瓷基板在大范围温度循环下会快速失效，无法满足可靠性要求。

目前，通常采用Si3N4的活性金属钎焊铜基板用于提高高温下碳化硅模块的可靠性。焊接材料通常采用烧结纳米银，一方面可以实现高耐温；另一方面纳米银烧结之后形成的焊层杨氏模量较小导致温度循环和功率循环时焊层承受的应力较小，可以极大地提高碳化硅功率模块的可靠性。

此外，研究者从理论基础和工艺方案的角度全面回顾了碳化硅功率模块设计时在寄生电感抑制、散热增强耐高温封装以及绝缘优化方面的优化策略和具体方法。相较于传统的Si IGBT，基于SiC MOSFET的碳化硅功率模块设计中对于寄生电感的要求更加严格，需要采用宽截面短距离的互连结构以及端子或者缩小回路面积的新型封装结构来满足相应的要求。为了满足寄生电感的需求，必须尽可能减小封装整体的大小，与此同时会带来一些负面影响，主要体现在散热和绝缘问题更加棘手。

为了应对这些挑战，一些在有限的空间范围能增强散热的方式相继出现，如集成热管、双面散热等。与之类似地，在紧凑空间能增强绝缘性能的手段也不断涌现，如叠层基板、三相点结构优化以及功能梯度材料等。

目前的研究通常只关注寄生电感、散热以及绝缘性能其中一个方面的优化，未来的研究应该全面地考量各种优化手段的综合使用的性能，关注各种优化手段彼此之间的相互作用关系，同时实现碳化硅功率模块在寄生电感、散热能力以及绝缘性能方面的优化提升。

此外，碳化硅芯片高温运行的能力也会受到传统封装材料无法耐高温的缺点限制，必须开发相应的耐高温封装材料体系，目前已经出现的各种耐高温封装材料在高温和大范围温度循环下的可靠性问题还需要进一步研究和验证。

本工作成果发表在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。