国家重点基础研究发展计划(973)-封装

国家重点基础研究发展计划

（973 计划） 项目计划任务书

项目编号：XXXXXXX 项目名称：

中华人民共和国科学技术部制

2010、1

一、立项依据

立项意义

全SiC电力电子器件（以下简称SiC器件）在高压、大功率、高温、高频及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力，能够有效提高系统效率、降低能耗、减小装置的体积和重量、提高系统可靠性。在强烈的需求驱动下，近年来SiC器件正迅猛发展，但与Si器件相比远未成熟，依然处于探索性发展阶段，大量基础科学问题和技术问题急需攻关。例如：（6）高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方面，基于全SiC器件的大容量电力电子装置具有高压、高频的基本电气特性。这类全SiC装置随着器件和系统工作频率的提高，在实际应用时在系统的趋肤效应、辐射效应、电磁场耦合、电磁兼容性、杂散参数分布特性等问题上，较之传统硅基开关器件有着本质的区别。高压、高频环境下，能量在传递过程中存在着磁场耦合、电场耦合以及电磁场耦合。故需对SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模研究，高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律、系统拓扑及优化等方面进行研究。由于 Si和SiC器件的特征参数、动静态参数有差异，且驱动和保护单元的信号完整性随频率、温度等因素变化的机理和规律还有待研究，因此门极驱动及安全保护技术将是SiC器件实现应用的巨大障碍；SiC功率装置可实现更高功率密度、更高电压、更高频率和更高结温运行，但对系统的结构设计和热设计等集成技术提出了新的要求，故需重新研究一套适合于SiC功率装置的高可靠性的集成技术；SiC器件通常将工作在高频开关模式，器件开通和关断时必定会产生浪涌电流和电压，需对不同功率等级、拓扑的SiC功率装置的吸收电路和电路参数展开最优化设计研究。

国内外进展情况（吴义伯）

2013年德国德累斯顿工业大学（TU Dresden）开发出6500V/1000A SiC 二极管模块，并研究其振荡特性；日本富士电子于2013年开发可工作于200℃的全SiC功率模块；2010年，日本AIST通过优化封装工艺和封装结构，开发出可工作在300℃以上的SiC功率模块。

Sympos

现有技术存在问题（吴义伯）

功率半导体器件是功率电子系统的核心，而硅基的功率器件一直以来都占据了功率电子系统的大半江山。目前，工业级标准功率模块一般主要包括功率半导体芯片、金属化衬板、基板、母排端子、键合材料、绝缘材料等组成，其中半导体芯片是功率模块的核心结构，衬板与基板是功率模块的骨骼支撑结构，而键合引线、贴片技术等互连工艺则是功率模块的神经脉络。一般来说，标准焊接式封装模块包括用铜片涂覆的DCB陶瓷衬板(如图1所示)，在衬板上焊接IGBT芯片，顶部的芯片通过引线键合方式连接或者是直接与端子相连，其它的芯片都通过软焊膏焊接在衬板上，再将衬板焊接在一个金属基板（Cu或Al-SiC）上，通过不同的分层设计实现内部电路。在所有的IGBT模块中还包括塑胶封装和覆盖在芯片周围的绝缘硅胶，以及外部的塑料侧框及管盖。这种焊接式封装结构采用回流焊接技术和引线键合技术为主导的互连工艺，目前这种焊接型标准功率模块占整个功率半导体器件领域中所有电力电子模块市场约80%的份额。

除此之外，根据应用范围不同，各国研究人员在传统封装模式的基础上提出了一些新的封装概念，并且在材料的选择和制造工艺上不断改进和创新，如压接式模块、无基板模块、无衬板模块、无键合线模块、无软焊层模块、直接端子键合（DLB）模块、转模模块（TPM）等等，这些新型封装形式的功率半导体模块也纷纷成为业界各同行研究的热点。

但是，传统功率电子模块主流封装形式是将半导体芯片通过铝线键合、焊膏焊接等互连方式与DBC衬板及散热基板相连，辅助端子及功率端子也通过焊膏焊接在衬板上，并引出到模块外部，这种传统硅基功率半导体模块封装结构的性能在很多方面都已经接近材料的理论极限，导致其在实际应用中很难满足电力电子系统对功率开关器件在阻断电压、通态电流、工作频率以及高温、高效等方面的新需求。

对于以上这些各种各样的硅基功率半导体模块来说，模块在系统应用中的长期可靠性受到如器件材料、封装结构、制造工艺、应用环境等诸多因素的影响，其可靠性包含半导体器件以及封装的可靠性两方面，器件的可靠性包括栅介质可靠性、过电流和过电压损坏以及静电损坏等，封装引起的可靠性问题包括芯片键合引线脱落及根部破裂、焊料层蠕变及疲劳失效和绝缘衬底分层等。研究表明，功率电子模块的失效主要是温度变化导致的热应力引起的连接层的机械应变和变形，其中热应力是由材料之间热膨胀系数（CTE）不一致产生的。在模块工作及存储过程中，主动和被动的温度循环及各层之间的温度梯度使不同材料的形变程度不同，连接部分受到不同的应力，引发互连层的疲劳和蠕变。IGBT 模块的

主要失效机制有键合引线失效、芯片表面金属化重建、焊料疲劳和DCB衬底分层等，如图2所示。因此，寻求具有更高可靠性的新一代功率半导体器件已经成为世界各国电力电子研发机构的研究热点。

图2 键合引线（左）和焊层疲劳失效（右）的扫描电镜图

模块封装存在的技术问题：

① 随着SiC器件电流密度增加，芯片集成度提高，模块的发热量大幅度提高，如何发挥SiC材料热导率高的优势，降低封装结构的热阻，提高模块散热能力成为重要问题；

② SiC器件工作频率提高，高dV/dt条件下出现自激振荡，形成明显的电磁干扰，功率模块中电、磁、热之间有着复杂的相互作用； ③ SiC器件具有更高的耐受温度，提高封装能力发挥其耐受温度高的优势，需要解决芯片形变对芯片焊接、键合强度的影响，解决高温高压条件下的绝缘问题。

二、研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

1、高温工作下的高速开关电磁干扰及电磁耦合机制；

碳化硅功率器件具有更低的通态电阻和更小的寄生电容，可以大幅度提高SiC功率器件的电流密度和开关速度。过高的开关速度使得开关器件存在明显的自激振荡。同时，由于集成度和功率容量的提高，电磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出。已成为SiC器件应用及性能发挥的瓶颈和制约性因素。

本项目通过研究电能传输的电磁场、热场的传输机理与耦合机制，建立电磁热分析模型，利用电路和网络理论，研究电磁场量与热场量之间的关系，研究电路中的电磁场-热场的广义网络分析方法，为功率模块及应用装置的设计奠定理论基础。 从器件封装和装置电路设计等角度综合考虑，

2、全SiC装置高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方法和技术研究

基于全SiC器件的大容量电力电子装置具有高压、高频的基本电气特性。这类全SiC装置随着器件和系统工作频率的提高，在实际应用时在系统的趋肤效应、辐射效应、电磁场耦合、电磁兼容性、杂散参数分布特性等问题上，较之传统硅基开关器件有着本质的区别。高压、高频环境下，能量在传递过程中存在着磁场耦合、电场耦合以及电磁场耦合。耦合不仅存在于功率器件之间，还存在于功率器件与能量传输载体之间、相邻的传输载体之间、并通过SiC装置在大系统源-荷之间建立电、磁耦合关系。同时，由于系统功率密度的和结构的模块化程度的提高，系统的电场分布、磁场分布与系统拓扑结构、主回路的几何特性和物理特性等因素相互关联、相互作用、相互制约。这使得在分析系统的电磁兼容性、杂散参数特性、可靠性、效率等核心指标时，需要考虑多个相互耦合的因素及其交叉关联关系。因此，电路和系统中的驱动和保护信号传输在传输过程中相位滞后、趋肤效应、辐射效应等都不能忽略，高频同步开关噪声也会对驱动电源系统造成扰动，相应的器件与电路的电特性分析与设计需考虑其高频特性，以上的因

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