碳化硅模塊封裝行業發展趨勢分析：銀燒結技術成連接技術主流

電力電子發展總體目標：提高功率（電流，電壓）—降低半導體控制和開關時損耗—擴展工作溫度的範圍—提高使用壽命，穩定性和可靠性—在降低失誤率的同時簡化控制和保護電路—降低成本。

未來碳化硅模塊組合裝配和連接技術（AVT）發展方向是：提高抗溫度和負載變化的可靠性—改善散熱效果（絕緣基板，基板，散熱器）—通過改善外殼和灌注材料和配方來提高抗氣候變化的適應性—優化內部連接和外部配件布線—優化外形使安裝更簡便—降低成型成本，提高環保意識，提高回收再利用的可能性。根據新思界產業研究中心公布的《2018-2022年中國碳化硅模塊封裝市場供求現狀及投資機遇》顯示，未來碳化硅模塊封裝呈現以下趨勢：

模塊封裝的集成度越來越高

在電動車輛中，電力電子器件必須節省空間、重量輕、並且即使在惡劣的條件下也要工作可靠。為了滿足這些要求，傳統基於模塊的封裝方式已經不能適應下游市場發展的需要，目前儘可能從機械方面集成電力電子系統所有的功能，碳化硅、氮化鎵（射頻／非射頻）模塊封裝也向著更高的集成度方向發展，標準模塊—智能功率模塊（IPM）—集成子系統的封裝方式，已經被越來越多的企業採用。

目前集成子系統的發展剛剛起步，智能功率模塊（IPM）已經被廣泛應用，特別是亞洲地區需求強烈。智能功率模塊的特點在於除了功率半導體器件外，還有驅動電路。許多IPM模塊也配備了溫度感測器和電流平衡電路或用於電流測量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護和監測功能，如過電流和短路保護，驅動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側的信號輸入進行電氣隔離。

銀燒結技術成為連接技術的主流

在晶元與基板的連接中，傳統有基板焊接功率模塊中，焊接連接往往是模塊上的機械薄弱點。由於材料的熱膨脹係數不同、高溫波動和運行過程中的過度負載循環將導致焊料層疲勞。晶元連接採用銀燒結合金而不是焊接，燒結連接熔點高得多，這意味著在給定溫度擺幅下連接的老化率將低得多，功率模塊的熱循環能力可增加五倍。

同一般的焊接相比較，銀燒結的最大優點就是在溫度變化時仍保持它的堅固性。對物質的燒結潛力可以用它的溫度變數來確定。溫度變數（%）是指物質工作溫度同熔點的比值。兩者的單位都是卡（Kelvin）。當溫度變數小於40%時，說明物質受溫度影響小。當變數在40%到60%時，表面物質特性隨溫度變化，當超過60%時，它的牢固性就會變得很差，就不適用（表2.5.3）。這種內部擴散的燒結方法的缺點是只能用於貴重金屬的表面連接。

無底板封裝得到越來越多應用

就基本設計原理而言有兩種類型的功率模塊：帶底板的功率模塊和不帶底板的功率模塊。這兩種模塊存在的共同點就是為了提供電氣隔離而將矽片焊接在片狀的陶瓷基板上(DCB)。在大多數模塊中，陶瓷基板被焊接到銅底板上。銅底板的功能就是確保機械穩定性、確保熱傳遞並提供到散熱器的良好的熱連接。無底板功率模塊封裝採用燒結或按壓式設計可以取代傳統的焊錫連接，降低模塊電感提升整體壽命，同時可將功率模塊和散熱器之間導熱硅脂層由傳統的100mm降低至25-50mm，極大的降低了模塊的熱阻，無底板設計在減少模塊體積、質量和提升模塊性能上表現出了極大的優越性。

底板本身雖然採用高導熱率材料（銅：λ=393 W/m*K），但因為它的厚度（2 到5 毫米），它在整個模塊熱阻中佔有不可忽視的份額。減薄底板厚度只能有限的減少它的份額，因為在晶元下的底板從晶元吸取熱量，它的截面積越大就散熱越快，所以減薄也會減少晶元下的傳熱截面積。大功率的模塊（大於1000A）常常使用AlN陶瓷和AlSiC底板。這主要是它們的熱膨脹係數相近（α：AIN 5.7 ppm，AlSiC 7 ppm，銅17ppm）。

同銅相比，AlSiC不良的導熱性（λ=180 W/m*K）就提高了熱阻，降低了熱傳導。正如已經提到的，取消底板是最有效的解決方案，它就刪除了底板和陶瓷間機械應力帶來的彎曲問題。因為沒有銅層的散熱而帶來的額外熱阻，正好平衡了刪除底板和反面焊接產生的熱阻。實際上這種結構是把晶元直接固定在散熱片上，它可使導熱膏的厚度減少20 到30 微米。一般用多個壓力連接件，在晶元附近把DCB壓緊在散熱片上。去掉底板或者用薄的導熱性更好的銀燒結層來代替底板，它還會減半。

新思界產業研究員認為，當前電力電子發展的目標是獲得更高的電流密度，系統集成度和更高的可靠性。與此同時，在低成本、標準介面以及靈活性和模塊化產品系列方面也有更多的呼聲。在電力電子模塊的發展中可以看出一些趨勢，其中最重要的是系統集成、冷卻系統的優化、電流密度的提高和成本的降低。應對未來有關更高運行溫度及相關可靠性問題挑戰的唯一途徑是繼續發展和優化裝配和連接技術。

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