隨著 SiC 功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠發(fā)展趨勢，基于封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料的 SiC 功率模 塊封裝技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。與封裝結(jié)構(gòu)相比，SiC 功率模塊封裝材料的相關(guān)研究報道較少。該文從封裝材料角度出發(fā)，綜述近 年來陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結(jié)材料、互連材料及灌封材料的研究進展，同時引出相關(guān)封裝材料的研究重點，以滿足 SiC 功率模 塊的應(yīng)用需求。

在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和航空航天等 領(lǐng)域，功率模塊正朝著高頻高速、高壓大電流、高溫、高 散熱和高可靠的方向發(fā)展。與 Si 等第一代半導(dǎo)體材 料相比，以 SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具備更快 的電子飽和漂移速度、更高的擊穿場強、更寬的禁帶寬 度、更高的熱導(dǎo)率及更強的抗輻照等特性，可以滿足功 率模塊的進一步發(fā)展需求。然而，新一代SiC 功率模塊 由于封裝技術(shù)的限制，尚未完全發(fā)揮出 SiC 半導(dǎo)體材 料的優(yōu)勢。因此，SiC 功率模塊封裝技術(shù)（封裝結(jié)構(gòu)和 封裝材料）的相關(guān)研究非常重要。事實上，近幾年關(guān)于 SiC 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)的研究報道較多，而封裝材料的 相關(guān)報道則較少。本文從封裝材料角度出發(fā)，同時結(jié)合 功率模塊的發(fā)展需求，對國內(nèi)外 SiC 功率模塊封裝材 料的研究進展進行綜述。 

針對功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高 散熱和高可靠發(fā)展需求，SiC 功率模塊衍生出了許多先 進封裝結(jié)構(gòu)。不過，封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，還需要搭配 合適的封裝材料，才能充分發(fā)揮 SiC 半導(dǎo)體材料的性 能優(yōu)勢，進而滿足 SiC 功率模塊的發(fā)展需求。在此以傳 統(tǒng)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)為例，將封裝材料分為陶瓷覆銅 基板、散熱底板、黏結(jié)材料、互連材料和灌封材料 5 大 類。如圖 1 所示。 

上述 SiC 功率模塊封裝材料的功能羅列如下： 

①陶瓷覆銅基板是功率模塊的載體，通過表面的圖形 化銅箔導(dǎo)體為功率器件提供電路連接，通過內(nèi)部的陶 瓷將表面導(dǎo)體電路與散熱底板等金屬材料隔離絕緣， 另外，其還為功率器件提供了散熱通道。因此，陶瓷覆 銅基板需具備優(yōu)異的機械性能、電性能及散熱性能； 

②散熱底板一般與陶瓷覆銅基板相連接，以將其熱量 傳遞到外界環(huán)境或者冷卻介質(zhì)中。因此，散熱底板應(yīng)具 備與陶瓷覆銅基板相匹配的熱膨脹系數(shù)，且散熱性能優(yōu)異；

③功率器件底面與陶瓷覆銅基板之間、陶瓷覆銅 基板與散熱底板之間往往需要采用黏結(jié)材料將其連接 為一體，以實現(xiàn)相應(yīng)的機械、電或熱連接等功能。因此， 黏結(jié)材料應(yīng)具備較強的抗蠕變和抗疲勞性能，合適的 熔融溫度、電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率高，且成本低、 環(huán)境友好；

④功率器件頂部電極、導(dǎo)體電路、輸入/輸出 端子之間一般采用互連材料形成電氣連接，因此，互連 材料需具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且抗疲勞性能優(yōu)異；

⑤灌封材料一般為有機介質(zhì)，通過灌封工藝填充在上述材 料之間，以保護功率器件、互連材料等脆弱部件免受濕 氣或化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并起到絕緣和散熱作用。因此， 灌封材料需具備優(yōu)異的填充性能、耐蝕性能、絕緣性能及散熱性能。

2.1 陶瓷覆銅基板研究進展 

隨著 SiC 功率模塊的高可靠、大電流、高散熱應(yīng)用 需求，陶瓷覆銅基板開始朝著高強度、高絕緣、高導(dǎo)熱 和覆厚銅（0.3 mm 以上）的方向發(fā)展。在陶瓷覆銅基板 中，常用的陶瓷材料包括氧化鋁、氮化鋁、ZTA 和氮化 硅等。雖然氧化鋁、氮化鋁的絕緣性能好，尤其氮化鋁 還具備非常高的熱導(dǎo)率，然而，這 2 種陶瓷的強度均較 低（一般低于 400 MPa），不能覆接厚銅，無法滿足 SiC 功率模塊的高可靠和大電流發(fā)展趨勢。ZTA 和氮化硅 的強度較高（一般高于 600 MPa），可以通過覆接厚銅 承載更大的電流，還可以通過減薄陶瓷厚度來降低熱 阻，符合 SiC 功率模塊的高可靠、大電流、高散熱發(fā)展趨勢。 

在新能源汽車領(lǐng)域，ZTA 覆銅板因成本低、可靠性 高，目前在功率模塊封裝基板市場的占有率較高；氮化硅覆銅板因與 SiC 的熱膨脹系數(shù)更匹配，而成為 SiC 功率模塊的首選，在 SiC 功率模塊封裝基板的市場占 有率逐年提升。事實上，這 2 種陶瓷覆銅基板的優(yōu)異性 能與陶瓷材料的本征特性密切相關(guān)。目前，ZTA 和氮化硅陶瓷材料的相關(guān)研究主要集中在燒結(jié)工藝和助燒劑 優(yōu)化上。吳崇雋等采用流延成型和常壓燒結(jié)工藝制備 ZTA 陶瓷，實驗結(jié)果顯示，ZTA 陶瓷的機械性能隨著 ZrO2 含量的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng) ZrO2 含 量為 20%時，ZTA 陶瓷的機械性能最佳，抗彎強度為 865 MPa，斷裂韌性為 5.7 MPa·m^1/2。Hu 等采用 2 步 氣壓燒結(jié)工藝來優(yōu)化氮化硅陶瓷的性能：第一步在 1 525 ℃溫度下燒結(jié) 3 h，促進氮化硅的 α→β 相轉(zhuǎn)變和 致密化；第二步在 1 850 ℃溫度下燒結(jié) 3 h，抗彎強度 達到801 MPa，熱導(dǎo)率達到 79.42 W/（m·K）。Liang 等在氮化硅原粉中引入 MgO 和自制 YB₂C₂（由 Y₂O₃、B₄C和 C 合成）助燒劑，并采用熱壓燒結(jié)工藝在 1 800 ℃/60 MPa 條件下燒結(jié) 2 h，氮化硅陶瓷強度達到 1 189.6±43.7 MPa， 斷 裂 韌 性 達 到 9 . 46 ±0 . 14 MPa·m^1/2，熱 導(dǎo) 率 達 到 77 W/（m·K）。

 2.2 散熱底板研究進展 

隨著 SiC 功率模塊的高溫、高散熱、高可靠應(yīng)用需 求，散熱底板開始朝著高溫適配、高導(dǎo)熱、高強度的方 向發(fā)展。在實際應(yīng)用中，銅基散熱底板材料由于熱膨脹 系數(shù)過大，在高溫條件下很容易出現(xiàn)熱應(yīng)力失效等可 靠性問題。而 AlSiC 散熱底板材料不僅熱膨脹系數(shù)可 調(diào)，而且熱導(dǎo)率大、強度高，符合 SiC 功率模塊的高溫、 高散熱、高可靠發(fā)展趨勢。 

目前 AlSiC 散熱底板材料的相關(guān)研究主要集中在 制備方法上，可分為兩大類：原位合成法和外加法。其 中，原位合成法是在制備過程中通過化學(xué)反應(yīng)原位生成增強體，增強體細(xì)小均勻，且與基體相容性良好。外加 法包括真空壓力滲透法、熔融超高熱等靜壓法、粉末冶 金法和擠壓鑄造法等，可將增強體直接加入基體中，工 藝相對簡單可控，但增強體與基體之間的浸潤性差，界 面結(jié)合較弱。章呈[6]采用無壓燒結(jié)和 SPS 燒結(jié)相結(jié)合的 工藝，原位合成 AlSiC 材料（SiC 含量 20%），抗拉強度 為 172 MPa，熱導(dǎo)率約 140 W/（m·K）。王書唯等[7]采用干 粉模壓成型工藝制備碳化硅多孔預(yù)制坯，再通過真空壓 力滲鋁法制備 AlSiC 材料，熱導(dǎo)率為（176～206）W/（m·K）， 熱膨脹系數(shù)為（8～9.5）/×10^-6K，符合功率模塊的應(yīng)用需 求。徐廣等[8]采用熔融超高熱等靜壓法，制得表面覆有 鋁金屬的鋁碳化硅材料，熱導(dǎo)率達到 220 W/（m·K），熱 膨脹系數(shù)為（6.5～7.5）/×10^-6K。

 2.3 黏結(jié)材料研究進展 

隨著 SiC 功率模塊的高溫、高可靠應(yīng)用需求，黏 結(jié)材料開始朝著耐高溫、高界面強度的方向發(fā)展。此 處的黏結(jié)材料主要用于功率器件底部與陶瓷覆銅基 板的界面、陶瓷覆銅基板與散熱底板的界面。隨著無 鉛化的環(huán)保要求，Sn-Ag-Cu 替代 Pb-Sn 被廣泛應(yīng)用 于電子行業(yè)，然而，在功率模塊應(yīng)用時，Sn-Ag-Cu 具 有如下缺點：不耐高溫（回流溫度為 220～260 ℃）；不 耐腐蝕，且容易產(chǎn)生錫須和金屬間化合物，無法滿足 SiC 功率模塊的高溫、高可靠發(fā)展趨勢。針對上述問 題，納米金屬黏結(jié)材料和瞬態(tài)液相黏結(jié)（TLP）材料應(yīng) 運而生。納米金屬黏結(jié)材料基于納米材料的尺寸效 應(yīng)，可以實現(xiàn)低溫黏結(jié)、高溫服役的功能，最常見的是 納米銀漿；瞬態(tài)液相黏結(jié)材料在高溫加熱時形成少量 液相，可與母材形成黏結(jié)界面，包括 Ag-Sn、Cu-Sn、 Au-Sn、Au-In 和 Ag-In 等。 

目前，在功率模塊中廣泛應(yīng)用的納米銀漿具備優(yōu)異 的機械、熱和抗蠕變性能，但存在高成本、多孔洞、裸銅 黏結(jié)困難等缺點。針對納米銀漿的高成本問題，Zuo 等將 20 nm 和 100 nm 的納米銅粉進行級配，制得低 成本的納米銅漿，在 250 ℃/4 MPa/20 min 條件下，黏結(jié) 界面的剪切強度達到 15 MPa。針對納米銀漿的孔洞問 題，Wei 等在 Ag-Sn 微米級合金粉中加入有機添加劑， 制得低孔洞 Ag-Sn 黏結(jié)材料，在 300 ℃/20 MPa/30 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切強度達到 32 MPa，孔洞率低于 4%；并且，經(jīng)過 2 000 h 高溫貯存后，黏結(jié)界面的剪切強 度和孔洞率沒有明顯變化。針對納米銀漿裸銅黏結(jié)困難 問題，Liu 等先采用十八烷基硫醇（ODT）包覆 DBC 陶 瓷覆銅基板，而后采用納米銀漿在大氣環(huán)境下進行裸銅 黏結(jié)，在 280 ℃/2 MPa/30 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切 強度達到 12.72 MPa。 

2.4 互連材料研究進展 

隨著 SiC 功率模塊的高頻高速、高可靠應(yīng)用需求， 互連材料開始朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù) 匹配的方向發(fā)展。此處的互連材料指功率器件上表面 電極與陶瓷覆銅基板或端子間的電互連。傳統(tǒng)功率模 塊一般采用引線鍵合的方式進行互連，但引線鍵合因 寄生電感大，容易出現(xiàn)開關(guān)損耗和電壓突增現(xiàn)象，不符 合 SiC 功率模塊的高頻高速發(fā)展趨勢。事實上，互連材 料本身對寄生電感的影響不大，但可以采用平面互連 等新結(jié)構(gòu)去減弱寄生電感的影響。Al 是常用的功率模 塊互連材料，但容易因電遷移而產(chǎn)生空洞等缺陷，進而 引發(fā)互連可靠性問題。與 Al 材料相比，Cu 互連材料不 僅電阻率低、熔點高、載流能力強，還具備較好的抗電 遷移性能，符合 SiC 功率模塊的高可靠發(fā)展需求。同 時，Cu 互連材料與新型平面互連結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可大大 降低功率模塊的寄生電感。除此之外，在一些雙面散熱 封裝結(jié)構(gòu)中，功率器件的上表面電極還會通過墊塊或 墊片等與對面的覆銅板形成電互連。劉文[14]在雙面散 熱功率模塊中采用鍍銀 Mo 塊，代替鋁線將功率器件 與覆銅板形成電氣連接，這里的 Mo 塊不僅與器件的 熱膨脹系數(shù)匹配，還因彈性模量較大、不易變形，能夠 有效地緩解應(yīng)力。 

2.5 灌封材料研究進展 

隨著 SiC 功率模塊的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需 求，灌封材料開始朝著耐高壓、耐高溫、高強度的方向 發(fā)展。功率模塊中常用的灌封材料是環(huán)氧樹脂和有機 硅材料，其中，環(huán)氧樹脂存在耐熱性差、脆性大、光照易 黃變等問題，不符合 SiC 功率的高溫和高可靠發(fā)展趨 勢。而有機硅凝膠具有高絕緣、耐高溫、耐濕/光性，且 楊氏模量小、熱應(yīng)力低的特性，非常適合 SiC 功率模塊 的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需求。目前有機硅灌封材料主要從改性角度來提高材料 的本征性能，比如主鏈改性、填料改性等。Zhang 等在 有機硅中引入 B 元素，使其與主鏈中的硅氧鍵共價結(jié)合， 改善其熱穩(wěn)定性和機械性能，熱分解溫度達到 675 ℃， 抗拉強度達到 4.65 MPa。陳向榮等[16]在有機硅中引入硅烷偶聯(lián)劑改性納米氮化鋁填料，經(jīng)過 250 ℃/500 h 老化實驗后，未添加填料的均開裂，擊穿場強由 47.27 kV/mm 降至 23.48 kV/mm；添加量 3%的均不開 裂，擊穿場強由 43.61 kV/mm 提升到 52.02 kV/mm；王鑫等在有機硅中引入改性氫氧化鈣粉體填料，改善 了硅橡膠的機械性能，抗拉強度由 6.83 MPa 提高到 7.55 MPa。 

基于 SiC 功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高 溫、高散熱和高可靠應(yīng)用需求，SiC 功率模塊封裝材料 也在不斷地更新迭代：在陶瓷覆銅基板領(lǐng)域，ZTA 覆銅 板和氮化硅覆銅板通過助燒劑和燒結(jié)工藝優(yōu)化，朝著 高強度、高絕緣、高導(dǎo)熱和覆厚銅的方向發(fā)展；在散熱 底板領(lǐng)域，鋁碳化硅材料通過嘗試不同制備方法，朝著 高強度、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在黏結(jié) 材料領(lǐng)域，納米銅漿和瞬時液相黏結(jié)材料可彌補納米 銀漿的短板，朝著低成本、少孔洞、裸銅黏結(jié)的方向發(fā) 展；在互連材料領(lǐng)域，Cu、Mo 等互連材料與新的封裝結(jié) 構(gòu)相結(jié)合，朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù)匹 配的方向發(fā)展；在灌封材料領(lǐng)域，有機硅通過主鏈改 性、填料改性等方式，朝著耐高壓、耐高溫、高強度的方 向發(fā)展。隨著封裝材料的不斷深入研究，SiC 功率模塊 將逐步實現(xiàn)高性能、規(guī)模化應(yīng)用。