全碳化硅（sic）模块技术

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1、全碳化硅(SiC)模块技术AllSiCModuleTechnique邓隐北，张子亮，唐庆伟编译河南亮明科技有限公司摘要：SiC器件等下世代功率半导体，具有高耐压、低损耗以及可高频、高温操作这些优越的特性。为了最大限度地发挥这些优势，开发了器件由铜插头连接、由环氧脂密封的新型功率模块结构。利用这一结构，提高了温度循环容限(cycleTolerance)；利用银烧结材料，已确认在200℃下工作的高可靠性；而且对新结构特点的充分发挥，可实现模块的低电感设计。试制的全SiC模块，可使用于太阳能光伏发电的功率调节器(condition

2、er)提高效率并大幅度小型化。关键词：碳化硅，功率芯片，铜插头，环氧树脂，温度循环容限，低电感设计，模块技术中图分类号：TN6文献标识码：B文章编号：1606-7517(2014)11-4-1341前言功率模块愈益广泛适用于需要有效进行电力变换的领域，例如，近年来引人注目的太阳能光伏发电和风力发电等可再生能源领域，以及混合式汽车及电动汽车等车载领域。作为功率半导体主力的硅器件，正在接近性能的极限。而作为一种新型宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。SiC电力电子器件的重要优势在于具有更

3、高的击穿电场强度6(2~4×10V/cm)，其最高结温可达600℃等。由于这一半导体器件的高耐压、低损耗、可高频高温操作的优越特性，突破了硅基功率半导体器件电压（数KV）和温度(＜150℃)所导致的严重局限性。随着SiC材料技术的进步，图1全SiC模块的新结构各种SiC电力电子器件被研发出来。SiC功率器件又可分1(a)]。而在图1(b)所示的新结构中，功率芯片的配线采为SiC-MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）与用了由铜接头连接的无导线、无焊接的结构，此外，由SiC-SBD（肖特基势垒二极管）。本文，将对可最大限

4、度发挥SiC-MOSFET和SiC-SBD等此类SiC器件所具性能的Si3N4（氮化硅）陶瓷基板贴合厚铜板的散热基板，取代了原来的DCB基板。即使结构中无金属基板，也能达到低全SiC模块技术予以介绍。的热阻抗。因此，对供给功率芯片大电流时芯片上的温升2全SiC模块结构能予以抑制，故可实现SiC器件的高密度安装和模块的小图1所示为功率模块的原来结构与全SiC模块的新型化。与此同时，因采用作为密封材料的环氧树脂，与原结构，原结构中功率芯片(chip)的配线由铝线形成，是来的硅凝胶比较，能缓解功率芯片结合部的变形和应力，将DCB（

5、直接铜结合）基板与金属基板用焊锡焊接的[图因而提高了可靠性。134磁性元件与电源·2014.113实现全SiC模块的主要技术要确保SiC器件在高温操作中的可靠性，以及实现快速的开关切换是开发中的课题。新结构中，考虑到模块高温操作可靠性之一的功率循环容限，取决于芯片上、下结合材料的寿命，因此，为提高高温操作的可靠性，必须使构成模块的结合材料高耐热化；同时，保护器件及其结合部的密封材料也需要达到高耐热化。此外，为了适应SiC器件的高速切换，限制浪涌电压的模块内部电感必须减小，新结构中因为是无导线连接结构，故能实现低电感化。3.1

6、利用高耐热性密封材料提高可靠性新结构中的密封材料采用了环氧树脂。为实现模块的高温操作，环氧树脂的高耐热化是必不可少的。这里，着眼于环氧树脂的玻璃转移温度Tg进行了树脂的开发。图2为对环氧树脂利用热机械分析(TMA)测定结果的模式。相应于温度变化的试料长度，对其长度的变化量进行了测定，由此，求得线膨胀系数(CTE)。Tg为耐热性指标之一，在图3模块内部的结构分析（变形、应力）Tg以上的温度区域α2，环氧树脂的CTE急剧增大。因此，为获得在200℃操作时的高可靠性，需要Tg在200℃以上范围成反比例。因此，为提高图3所示高温的温

7、度循环容限，的树脂。为验证模块最佳的树脂物理性质，立足于树脂的必须减小环氧树脂的CTE。CTE进行了应力分析。在图3所示的三维1/4模型中，对这里，对充填于环氧树脂的二氧化硅等填料(filler)量芯片上部与下部的焊料结合部相当多的变形，以及Si3N4陶进行调整的方法，可作为减小CTE的方法。一般，因填瓷基板上的最大主应力进行了分析。在-40℃~200℃温度料增加的数量会导致树脂的弹性率、粘度增加等问题，故-6循环条件下环氧树脂的CTE处于10~25×10/K范围内变CTE需要总的匹配。新结构中，对填料量进行优化、减小化时，

8、变形和应力最大值示于图3。另外，纵轴值是把环氧CTE的同时，还要开发应用考虑到填充性粘度的环氧树脂。-6树脂的CTE=25×10/K时的变形和应力作为100的结果。而且，要将这一开发树脂材料的硬化条件最佳化，已经确在新结构中，焊料的寿命是对温度循环容限产生影响认Tg在200℃以上。由此，提