碳化硅芯片封装工艺中那些“难念的经”

平头叔

2021年5月26日 10:57

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功率芯片封装

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。

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

第一种封装形式，是将晶圆封装成器件

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。

第二种封装形式：是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。

碳化硅（SiC）功率模块封装技术的新挑战

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。