碳化硅的前世今生之06：封装不可小觑

从封装技术的发展过程看，首先商用的是分立式碳化硅MOSFET器件，从最初是TO-247 3脚到TO-247 4脚封装，后来出现了采用开尔文连接的TO-263 7脚封装。通过封装的改进，这些器件的杂散电感得到了不断的优化。特别是开尔文连接改善了驱动能力，降低了损耗，有利于提升碳化硅器件的性能。

碳化硅MOSFET模块出现以后，模块封装的目的也是降低杂散电感，充分展现碳化硅芯片的性能。此外，通过采用对称布局和层叠端子实现了更大功率的模块；标准模块封装也在逐渐被市场接受，能够满足各种多样化的需求。

我们看到，除了碳化硅MOSFET模块的外形发生了变化，更重要的是器件的性能得以充分发挥，也让应用变得更加简单和可靠。通过更高集成度的模块封装，在常规MOSFET模块中集成内置实时时钟（RTC）模块，或者集成驱动和保护，就出现了智能功率模块（IPM）。模块功能的不断提升可以在用户的各种应用中体现出碳化硅的更大性能优势。

我们正处在从硅功率半导体向宽带隙（WBG）——碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）革命的过渡中。随着这些技术成为主流，一些半导体公司的传统智慧是控制并建立客户依赖关系。如果他们抓住机会像微控制器和内核那样进行转换，客户将获得更多价值，每个人都会赢。

今天，传统的硅半导体公司比以往任何时候都在努力推动硅的发展。他们正在创新封装，无论半导体材料如何，封装现在都与芯片本身一样重要。模块层面也在进行创新。Yole最近的一份报告表明，碳化硅市场将是一个价值数十亿美元的前景，具有难以置信的增长、产能扩张和供应链整合。

这就引出了一个问题：要进入WBG业务，是不是必须拥有制造过程中的一切？WBG公司也在做创新封装——通常是没有封装！这样更有利于互连和散热。

电动汽车的发动机舱可用空间很小，电动传动系也需要设计的更小，还要这意味着更高的功率密度，需要用新的封装来提高器件的性能。而在更高温度下，标准的塑封可能会出现各种可靠性问题，包括引线键合、基板和封装。另外，还有成本竞争力的问题，功率模块制造商需要在高可靠性和成本效益之间进行平衡。

电动汽车是一个较新的业务领域，许多玩家都在试图通过高性能来实现产品差异化。使用专有模块设计通常是实现的这一目标的有效方法，特别是高性能封装解决方案。

在应用方面，实际封装可能有不同形式，例如转移模塑结构、金属外壳、塑料外壳等；基板上使用Pin-Fin散热器；基板组件集成设计；单面或双面冷却技术；SiN-AMB（氮化硅-活性金属钎焊）基板；银烧结片芯连接、丝网印刷、锡基连接等。

在逆变器设计中，模压双面冷却模块用散热器取代塑料外壳，有点像前面说的“没有封装”，结构更加紧凑并实现高度模块化。如日立为奥迪e-tron和保时捷Taycan开发的双面冷却功率模块就集成了基板金属外壳，采用直接水冷型双面冷却功率模块实现逆变器的小型化。

上述功率模块和传统功率模块有什么不同呢？传统功率模块是在基板上涂覆导热硅脂，以其接触散热片进行散热；也有不使用导热硅脂的，用降低热阻的直接单面冷却，而直接水冷型双面冷却功率模块成倍扩大了冷却面积，效果更好。

最近，为了解决OBC设计者的封装热管理挑战，英飞凌推出了创新的顶部冷却方法。OBC是将来自电网的交流电源转换为直流电压，为牵引蓄电池充电。当车辆移动时，OBC只会是随车携带的重量。其尺寸和重量的最小化可以减少对里程的影响，同时实现快速高效充电。另外，未来OBC的功率大约是现在的3倍，在同样的空间内可以达到11kW。

为此，OBC设计人员也在考虑增加功率密度，这意味着减少尺寸和重量，扩大电动汽车续航里程。提高效率不仅可以减少OBC内的热量，还可以从电网输送更多能量给牵引蓄电池充电，从而缩短充电时间。

另一个趋势是牵引蓄电池电压正在从现在的400V走向800V，目的是减少充电和向牵引电机输送能量时电缆中的电流和相关I2R损耗。

双向运行要求对OBC设计人员来说是又一个挑战。随着电动汽车变得越来越普遍，电网上的压力将显著增加。电力供应商发现，电动汽车中储存了大量能量，既可以稳定交流电网，也可以在高峰时间为住宅供电，以减少峰值需求。

而当交流电网出现停电故障时，电动汽车还可以充当家用电池。然而，要做到这一点，OBC需要能够从牵引蓄电池传输能量并接收能量。为了应对这些挑战，选择的拓扑结构和使用的技术都很重要，尤其是开关元件。在大多数情况下，WBG解决方案将有助于提供所需的性能优势。

英飞凌开发的创新封装使分立半导体和功率IC具有顶部冷却（TSC）的能力。底部冷却通常是将冷板连接到PCB/绝缘金属基板的底部散热，组件无法放置在一侧，这样可以将功率密度降低两倍。半导体器件与PCB热连接，这意味着它们将在相同的温度下工作。由于FR4玻纤板的耐温值（Tg）低于许多现代功率器件的工作温度，因此无法充分发挥其潜力。

将冷板连接到电源组件顶部可以解决上述问题，这样组件就可以放在两侧，保证碳化硅器件能够在其整个工作温度范围内运行。

虽然绝缘金属基板可以提供比FR4玻纤板更高的性能，但也带来了复杂性。许多这类解决方案变成了一个多板组件，绝缘金属基板仅用于功率器件，FR4用于驱动器和无源器件。如果采用顶部冷却组件，就可以减少多达76%的互连要求。消除了128个连接器的成本和复杂性，以及与之相关的可靠性问题。

热设计中的关键参数是半导体结和冷板之间的热阻，因为它定义了移动热能的能力。FR4上顶部冷却的热仿真表明，它比FR4上的底侧冷却性能好35%，并且与绝缘金属基板上的底侧冷却相比，热性能略有改善，从而显著节约了成本。

顶部冷却允许将所有组件放在同一个双面PCB上，驱动器可以直接放在相应的MOSFET下方，从而显著减少PCB引起的寄生效应。这有助于提高系统性能，降低电源组件上的电应力。

新型封装在装配上和之前的解决方案不同，散热器热连接至PCB顶部的发热MOSFET封装。轻薄的部件也可以放在这一侧，而较高的部件可以放在下面。HDSOP系列可确保每个组件标称高度为2.3mm，大大简化了冷板，即使在同一设计中使用不同的功率半导体技术，也可以使用更优化的散热器。

据介绍，QDPAK器件是专门为利用顶部冷却的优势设计的，有多种功能适应不同的应用。该系列器件的标称占位面积为20.96mm×15.00mm，高度为2.3mm，非常易于组装。

QDPAK器件能够提供高功率耗散，有多个专门用于漏极和源极连接的引脚，因此非常适合大电流操作。开尔文源引脚提供了高水平的可控性和满载效率。对称平行引线布局确保PCB上的机械稳定性，同时易于组装和测试。

在标准配置中，QDPAK（PG-HDSOP-22-1）在工作电压高达450V时可提供3.20mm的爬电距离，涵盖了低于400V电池等级的大多数应用。对更具挑战性的应用，HV QDPAK（PG-HDSOP-22-3）将提供I级模塑化合物材料，并在封装中采用一个槽，将爬电距离增加到4.80mm，从而实现950V工作电压。

虽然宽禁带半导体材料在通过电源解决方案实现更高的效率和功率密度的竞争中占据了优势，但有效的热管理在实现电气性能以及降低尺寸、重量和成本方面有着重要的目标。

创新的QDPAK封装设计可以实现顶部冷却，热量通过热界面材料流经封装顶部，直接流向冷板。这种方法提供了许多好处，包括比同等基于绝缘金属基板的解决方案具有更好的热性能。

简单的结构消除了多板组件，减少了组件数量和成本，性能显著提高，组装时间和成本降低。电路板两侧的利用能力显著提高了功率密度，同时减少了系统中的寄生元件。

目前国内做碳化硅封装的比做芯片的多。芯片的改进已经有好几代，通态电阻在不断下降。过去碳化硅芯片最大的问题是价格太贵，买一个碳化硅器件可以买五六个硅基器件。这几年价格确实在下降，最近已经降了1/3左右。碳化硅器件的电压等级也在增加，1.2kV、1.7kV已经形成市场规模，3.3kV和6.5kV正在走向市场；实验室还在往上提升电压等级。

清华大学电机工程与应用电子技术系教授、博士生导师、清华大学电子实验中心主任、IEEE Fellow赵争鸣认为，碳化硅芯片本身就是一个缺陷性芯片，成品率比较低，稳定性也不够，厂商正在解决。而在封装方面，用户接触的就是封装，也存在很多问题，而且每个厂家的封装都不一样。未来的改进在于优化寄生参数和电场分布，把原来集中的电子场均匀分开；还要在提高可靠性的同时提高集成化程度。如果能够像其他半导体器件的封装那样，有一些标准形式，对用户来说是再好不过了的。

总之，封装技术的发展需要同时兼顾充分发挥碳化硅芯片性能和实际应用易用性与可靠性要求，以多样化产品满足了市场的广泛需求，同时也不能忽略了标准化需求。

下一篇文章我们将转换一个话题，分析一下全球碳化硅半导体行业的发展现状。

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