碳化矽 (SiC) 作為一種用於功率元件的寬帶隙半導體材料，在過去二十年來受到越來越多的關注。相較於矽 (Si)，SiC 裝置具有顯著的優勢，例如更高的击穿電場、更快的開關速度、更好的熱傳導性以及更高的工作溫度。然而，要實現這些優勢需要先進的封裝技術，以解決各種挑戰，例如降低寄生電感、增強熱性能以及確保在高溫下的可靠性。本文概述了 SiC 功率元件封裝技術的最新發展，重點介紹了低寄生電感、高溫封裝和多功能整合封裝。此外，還討論了這些領域的挑戰和機遇。.
簡介：
碳化矽 (SiC) 功率元件與傳統的矽元件相比，具有更優異的材料特性，將為功率電子帶來革命性的變化。以 SiC 為基礎的功率元件可以在更高的頻率、電壓和溫度下工作，從而提高了各種應用的效率和功率密度，包括電動汽車、可再生能源系統和工業功率電子。然而，這些優勢只有透過開發能滿足 SiC 裝置獨特要求的先進封裝技術才能完全實現。.
1.低寄生電感封裝技術：
降低 SiC 功率元件封裝中的寄生電感對於實現高速切換、減少電壓過衝和電磁干擾 (EMI) 至關重要。矽元件常用的傳統封裝結構，由於開關迴路較大和使用金屬鍵合線，因此寄生電感較高。為了解決這個問題，已開發出數種創新的封裝技術。.
1.1 倒裝晶片封裝：
倒轉式晶片封裝技術，例如阿肯色大學團隊所提出的技術，是利用金屬互連來翻轉晶片，並將背面電極連接至與正面電極相同的平面。這樣就不需要接合線，並大幅降低寄生電感。與傳統的 TO-247 封裝相比，這種封裝方式可將元件尺寸縮小 14 倍，導通電阻降低 24%。.
1.2 DBC+PCB 混合封裝：
另一種降低寄生電感的解決方案是在混合封裝結構中結合直接銅焊 (DBC) 和印刷電路板 (PCB)。透過將晶片表面與 PCB 連接，可將電流迴路面積減至最小，從而大幅降低寄生電感。這種混合封裝可達到低於 5nH 的電感值，並將整體體積減少 40%。.
1.3 晶片導線互連：
使用直接引線鍵合 (DLB) 進行晶片到引線的連接，可進一步將電流迴路面積最小化，從而降低寄生電感，改善溫度循環性能和可靠性。這種封裝技術不需要鍵合線，使其成為 SiC 功率元件的理想解決方案。.
1.4 雙面冷卻包裝：
雙面散熱技術常用於電動汽車的電力電子產品，已應用於 SiC 裝置以改善散熱效果。透過在晶片兩側使用 DBC 基板，封裝實現了上下表面同時散熱。與傳統封裝相比，熱阻降低了 38%。.
1.5 3D 封裝技術：
3D 封裝技術利用 SiC 的垂直結構降低寄生電感。透過將開關臂直接堆疊在彼此之上，3D 封裝消除了不必要的佈線，並將迴路電感大幅降低至 1nH 以下。這種方法已證明可以同時提高裝置的效率和功率密度。.
2.高溫封裝技術：
SiC 功率元件的設計工作溫度超過 300°C，遠高於傳統的矽元件。然而，矽元件所使用的封裝材料和結構並不適合高溫應用，因為它們的可靠性在超過 150°C 時會大幅降低。因此，開發可承受高溫的封裝材料對 SiC 功率元件的成功至關重要。.
2.1 高溫互連材料：
在高溫應用中取代鋁線的銅接合線可大幅改善 SiC 功率元件的可靠性。此外，銅帶和銅帶因其優異的載流能力和散熱能力，使其成為高溫 SiC 應用的理想選擇，目前也正在進行開發。.
2.2 燒結銀技術：
燒結銀接合正在成為高溫應用中傳統焊接技術的替代方案。燒結銀的熱傳導率高達 200W/(m-K)，提供優異的熱能管理和高熔點，使其成為 SiC 功率元件的理想材料。然而，優化燒結銀接合的製程，尤其是壓力、溫度和時間方面，仍是一個積極研究的領域。.
2.3 陶瓷基板和金屬底板：
為了確保 SiC 功率元件在高溫環境中的長期可靠性，基板和底板必須展現高導熱性，並符合 SiC 的熱膨脹係數 (CTE)。氮化鋁 (AlN) 和氧化鈹 (BeO) 等材料因其優異的熱傳導特性而受到考慮。然而，BeO 的毒性限制了它的廣泛使用，而 AlN 的高成本仍然是採用它的障礙。.
3.多功能整合包裝技術：
隨著 SiC 裝置被推向微型化和更高的功率密度，多功能整合變得越來越重要。將電容器、驅動器、感測器和散熱器整合到封裝中，對於改善裝置的整體效能至關重要。.
3.1 整合式電容器與驅動器：
陶瓷電容直接整合在功率模組內，可降低寄生電感，並改善整體系統效能。然而，這些電容的高溫可靠性仍是一項挑戰。同樣地，在模組內整合閘極驅動器，如三菱和英飛凌等公司的 SiC 智慧型功率模組 (IPM)，可縮小模組尺寸並改善開關性能。.
3.2 感測器整合與 EMI 減緩：
溫度、電流和電壓感測器被整合到 SiC 功率元件中，以提供即時監測和控制，從而提高系統的整體性能和可靠性。此外，還整合了 EMI 濾波器和遮罩，以減緩電磁干擾，確保符合業界標準。.
3.3 微通道散熱器整合：
微通道散熱器被直接整合到功率模組中以改善散熱。此技術可降低熱阻，並改善 SiC 功率元件的整體散熱效能。在模組的基板內整合微通道散熱可使熱阻降低 34%。.
4.挑戰與未來展望：
儘管碳化矽封裝技術取得了進展，但仍存在一些挑戰，特別是在材料開發、降低成本和高溫可靠性方面。需要進一步的研究來：
- 驗證低寄生電感封裝結構的性能，特別是在功率循環、熱循環和整體可靠性方面。.
- 開發具有最佳熱傳導與熱膨脹特性的高溫封裝材料。.
- 克服陶瓷電容器、感測器和其他整合元件在高溫下的限制。.
- 探索新的冷卻技術，例如微通道冷卻和相變材料，以進一步增強 SiC 功率元件的散熱性能。.
總而言之，先進封裝技術的發展是發揮 SiC 功率元件全部潛力的關鍵。隨著產業的不斷創新，SiC 將在功率電子的演進中扮演越來越重要的角色，為更高效率、更高功率密度和更可靠的系統鋪路。.