碳化硅IGBT 電力電子器件封裝和絕緣研究綜述

戴 超，陳向榮

（浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術重點實驗室（浙江大學），杭州 310027）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的提出，以新能源、新技術、新工藝和新材料為基礎的電力電子技術得到飛速發(fā)展。在電力電子技術發(fā)展的同時，與其相關的電力電子器件的工作可靠性，尤其電氣絕緣性能面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

電力電子器件產(chǎn)生于上世紀50 年代，最初由美國貝爾實驗開發(fā)，而后由美國通用公司商業(yè)化，標志著第一代電力電子器件的誕生[1]。隨著科技的不斷發(fā)展和電力變換需求的逐步提升，電力電子從第一代SCR（可控整流器）逐步發(fā)展，經(jīng)過第二代的BJT（雙極結型晶體管）、GTO（可關斷晶體管）、MOSFET（半導體場效應晶體管），第三代的IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）到第四代智能化集成電路和智能功率模塊電力電子器件。短短50 年的時間電力電子技術發(fā)生了飛躍性的發(fā)展。隨著21 世紀新能源的發(fā)展、全球能源互聯(lián)的需求和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的提出，之前以Si（硅）單質為基礎的電力電子器件的性能制約著目前電力電子器件朝著高壓、高溫和高頻方向的發(fā)展[2]。

隨著電力電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，急切需要研發(fā)出更好的電力半導體器件。Si 器件在這一領域一直處于主導地位，為進一步提高器件的開關和導通性能，目前幾乎達到了材料理論極限[3]。因此，基于WBG（寬能帶間隙）材料的器件開始引起電力電子工程師的關注。與硅功率器件相比，WBG 功率半導體具有較低的本征載流子濃度（10～35 次數(shù)量級）、較高的擊穿電場（4～20 倍）、較高的導熱系數(shù)（3～13 倍）和較大的飽和電子漂移速度（2～2.5 倍）[4]。在相同的模具尺寸和厚度下，將這些特性轉化為設備規(guī)格。同時，WBG 器件可以提供更高的擊穿電壓、更大的電流、更高的工作溫度、更快的開關速度和更低的開關損耗。圖1 描述了WBG 和Si 器件的性能對比，從理論上看，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）器件的性能在多方面方面均優(yōu)于Si 器件。

圖1 Si，SiC 和GaN 性能對比

目前對于SiC 電力電子器件的研究相對更為成熟，然而，由于目前研發(fā)的SiC 電力電子器件的封裝結構和封裝材料都是沿用Si 器件，這導致SiC 電力電子器件的發(fā)展受到了巨大限制[5-6]。SiC 電源模塊封裝的挑戰(zhàn)來自于SiC 器件的獨特特性，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）開關速度快。與硅器件相比，SiC 器件具有更低的Coss 和Qg，并且可以在更高的dV/dt和di/dt[7]下切換。

（2）高溫高場下運行。SiC 器件具有在200～300 ℃高溫下工作的超常能力。這個溫度已經(jīng)遠遠超出了硅器件的傳統(tǒng)封裝材料系統(tǒng)的適宜范圍（通常不高于175 ℃）。

1 SiC IGBT 的結構和封裝方法

SiC IGBT 被視為未來高壓應用潛力最大的功率開關，因為它具有優(yōu)異的導通調制性能。SiC IGBT 近年來備受關注，并且已經(jīng)報道了幾種具有超過10 kV 的阻斷電壓能力的結構[8]。預計在不久的將來這些電源開關的電壓能力可提高到20～30 kV[9]，從而拓寬了SiC 電源開關的應用領域。在功率MOSFET 開發(fā)中實現(xiàn)的MOS 接口質量和大通道遷移率的成就對于設計具有高電性能的IGBT 結構是至關重要的。

IGBT 是PWM（脈沖寬度調制）電壓源變頻驅動器中應用最廣泛的功率傳感器。襯底的選擇是基于它們在高壓下的電氣絕緣性能、熱性能（耐高溫和良好的導熱性）和機械性能（與其他材料的膨脹系數(shù)盡可能匹配）。常用的材料有AlN（氮化鋁）和Al2O3（氧化鋁）。在這方面，AlN 優(yōu)于Al2O3，因為它具有優(yōu)異的熱性能和機械性能。AlN 陶瓷的導熱系數(shù)一般為180 W/mK，而Al2O3陶瓷的導熱系數(shù)為27 W/mK。將銅金屬化附在陶瓷襯底上可以通過DBC（直接粘結銅）或AMB（活性金屬釬焊）來實現(xiàn)。圖2 為AMB 方法的IGBT 模塊的結構示意。

圖2 AMB 方法的IGBT 模塊結構

DBC 不需要銅焊層，一個標準的傳統(tǒng)電源模塊為7 層結構，包括一個散熱器、一個襯底、DBC 襯底和這些層之間的連接件，如圖3 所示。整個模塊由軟介電體（如硅凝膠）封裝，以防止在空氣中發(fā)生放電，保護半導體、基片和連接免受潮濕、污垢和振動，硅膠也可以作為絕緣材料。這種模塊結構通常具有高寄生功率環(huán)電感從20～30 nH 不等[10]。

圖3 DBC 方法的IGBT 模塊結構

SiC 器件具有高速開關能力，這使器件對其封裝寄生效應敏感。功率模塊中的寄生電感會在開關器件上引起高壓過沖和振蕩，從而增加器件開關損耗[11]和模塊的EMI（電磁干擾）輻射。先進的封裝結構可以通過優(yōu)化封裝內的電流換向回路布局，顯著地幫助最小化環(huán)路寄生效應并減少功率模塊的EMI 輻射。具體有以下3 種方式：

（1）改進的連接線鍵合結構和采用混合結構。

（2）無線結構，其中包括DLB（直接引腳鍵合）結構、SKiN 結構、嵌入式結構、SiPLITB（塞米昆平面互連技術）和2.5D 結構等。

（3）3D 封裝結構，其中包括CoC（片上芯片）結構和晶圓級封裝結構。

2 封裝材料系統(tǒng)

為了使封裝材料系統(tǒng)具有與SiC 材料相容的高擊穿電場強度、相容的熱機性能、與碳化硅材料相匹配的良好的CTE（熱膨脹系數(shù)）并能承受較高的工作溫度，需要從襯底材料、芯片連接、鍵合方式和封裝絕緣材料四個方面進行研究。

2.1 襯底材料

功率封裝襯底由兩層金屬和絕緣層（通常為陶瓷層）組成，不同的金屬和陶瓷材料在模塊封裝中提供不同的性能。表1 列出了4 種常用陶瓷材料[12-15]的性能比較。在所有的選擇中，Al2O3是最經(jīng)濟的，但具有最高的熱阻抗和中等的機械強度。BeO 具有最高的導熱系數(shù)，但在加工過程中接觸到的粉塵顆粒對人體健康有害。相對而言，AlN是一種安全的材料，具有比Al2O3高得多的導熱系數(shù)。CTE 與SiC 材料的匹配性更強，其抗彎強度和熱循環(huán)壽命與Al2O3相似。熱循環(huán)壽命方面，Si3N4具有較高的循環(huán)可靠性，是一種較好的選擇，但代價是較高的材料成本和較低的導電性[16]。

2.2 芯片連接材料

芯片連接材料主要包括環(huán)氧膠粘劑、替代樹脂、共晶模附焊料、軟釬焊和銀玻璃材料五大類[17]，可分為高溫使用和低溫使用。目前最常用的兩種模接材料是焊料合金和導電環(huán)氧樹脂。大多數(shù)用于商業(yè)小信號器件的含銀環(huán)氧樹脂在溫度接近200 ℃時失效，它們的低工作溫度不適用于高溫。使用有機化合物的替代樹脂也適用于低功率硅器件。

2.3 鍵合方式

銅線鍵合是連接電力電子組件中高電流互連的最有前景的技術之一[18-19]。鋁線焊接工藝的布局靈活性和質量是促進銅線焊接發(fā)展的兩個原因。最近引入了由Al 和Cu 復合材料制成的新型重線焊接，與純Cu 線相比，芯片表面的金屬化不需要改變以建立穩(wěn)定的鍵合工藝。另一種鍵合方法是Cu 和Al 帶鍵合[20]。由于實現(xiàn)與引線鍵合互連相同的互連電阻所需的帶數(shù)較少，這些連接可以承載更高的電流，并且根據(jù)相應的鍵合工藝和所選擇的帶狀材料顯示出更好的功率循環(huán)能力。

表1 4 種常用陶瓷材料的性能比較

2.4 封裝絕緣材料

IGBT 器件分為壓接型和焊接型。壓接型IGBT 由于通流容量大和優(yōu)良的短路特性適用于柔性直流輸電。但壓接型IGBT 器件主要是氣體絕緣，由于壓接工藝受到保護，其絕緣問題鮮有報道[21]，而焊接型器件絕緣封裝材料可保護功率模塊組件免受外部環(huán)境損害，如濕氣、溶劑、氣體和輻射[22]。此外，封裝材料還有望提高高壓模塊（1 000 V）封裝的額定電壓，并防止在高壓下產(chǎn)生電弧。高溫應用的需要對傳統(tǒng)的封裝材料提出了挑戰(zhàn)，玻璃、水凝陶瓷和聚合物這3 種材料可能適合于高壓高溫電力電子包裝。材料應是可處理的，并與模塊結構兼容（如表2 所示），具體為：

（1）玻璃具有良好的化學穩(wěn)定性和良好的介電性能，可以在高溫下工作。這類材料的主要缺點是燒成溫度高，超過500 ℃，楊氏模量高，導致熱機械應力大。硼硅酸鹽玻璃是最適合電力電子應用的玻璃，其過渡溫度高，CTE 低，燒成溫度相對較低，約為600 ℃，但這樣的溫度足以影響半導體的金屬化性能以及組件的可靠性[23]。這可以解釋為什么沒有研究玻璃作為電力模塊的介質封裝[3]。

（2）第二類材料是指水凝膠陶瓷。它們可在高于1 000 ℃的溫度下使用，并具有良好的化學穩(wěn)定性和良好的介電性能。水溶膠陶瓷的主要優(yōu)點是它們的固化溫度低，可以在室溫下進行。然而，這些陶瓷具有高楊氏模量（＞100 GPa）和3～6 mg/m3的CTE，如果不同材料之間的CTE 不匹配，則會在結構中產(chǎn)生高應力并導致嚴重的可靠性問題。

（3）第三類材料也可分為兩類：軟封裝和硬封裝。軟封裝材料的玻璃化轉變溫度Tg 低于最低工作溫度，因此，該材料在其橡膠狀態(tài)下工作并且是柔軟的，表現(xiàn)出高CTE，具有幾毫帕量級的非常低的楊氏模量。有機硅凝膠由于其非常高的柔軟性和高絕緣性而被廣泛用于封裝高壓多芯片功率組件。

在第二種情況下，聚合物相對較硬，CTE 較低，楊氏模量相對較高（如GPa）[24]。一些第二類聚合物（如聚酰亞胺BPDA-PDA 和PA-HI）在超過300℃的溫度下進行測試可靠性高[25]。然而，前者的沉積技術（聚合物氣相沉積）和后者的有限厚度（50 μm）減少了它們在晶圓水平上的使用[26]。苯并環(huán)丁烯BCB 是候選聚合物，在300 ℃以上是穩(wěn)定的，但厚膜遇到的主要問題是在固化過程中產(chǎn)生空洞[27]。針對SiC 模塊的高電壓/高電場特性，高擊穿電壓的封裝材料對封裝系統(tǒng)也很重要。這些材料的貨架外選擇包括硅凝膠、PAI 材料和BCB 材料。

3 封裝絕緣研究現(xiàn)狀

3.1 局部放電和調控

由于高電場，特別是在銅金屬化邊緣可以產(chǎn)生局部放電。最壞的情況是在例如AMB 方法中金屬化以下一些釬焊的邊緣非常鋒利的凸起，如圖4 所示。

表2 高壓封裝候選材料匯總

圖4 在金屬化下釬焊邊緣非常鋒利的凸起

實驗表明，局部放電并不總是沿著銳邊發(fā)生，這是因為材料缺陷和高電場強度的結合導致了局部放電。

為了研究應用非線性場分級材料減輕高電場區(qū)域特別是突出部分的電場強度的好處，文獻[28]中進行了FEM（有限元方法）模擬，見圖5。

圖5 計算電場分布的有限元仿真模型

目前IGBT 工作在1.5 kV 及以上的標準為IEC 61287—1[29]。標準中，對凝膠封裝的IGBT 模塊的絕緣性能的評估是不充分的（IEC 61287，主要針對鐵路應用），沒有評估由IGBT 芯片和凝膠組成的絕緣結構，因為在模具和凝膠的交流電壓下的局部放電測量是不可行的。華北電力大學崔翔團隊提出了一種新的測試方法，可以測量直流電壓下IGBT 模塊所有元件的局部放電[30]。

對于局部放電的調控，主要有以下6 個措施：

（1）對器件內部幾何電場進行調控，主要涉及金屬層的厚度、襯底的厚度、邊緣的形狀以及金屬/導電層偏置。然而，襯底厚度的增加會降低半導體的冷卻效率，而且這種技術可能無法滿足電力電子產(chǎn)品的小型化需求。

（2）線性電阻電場控制，在高應力區(qū)域應用功能材料可以減小電場。材料的電導率隨電場變化，材料的介電常數(shù)隨電場相對介電常數(shù)變化。在電場應力消除控制或也稱為電阻場控制，導電層應用在金屬化邊緣。電場分布是由流過該層的導電電流來改變的。用于電阻場控制的材料可以是線性的，也可以是非線性的。線性電阻場控制材料的電導率與場無關。因此，必須仔細選擇線性材料制成的導電層。

（3）非線性電阻電場控制，顆粒的本征半導電性質及其連通性導致非線性電阻電場控制復合材料的非線性行為。在這方面，如果填料濃度超過規(guī)定的限度，顆粒與顆粒之間的接觸是可能的。電場強度也必須足夠高，使傳導通過半導電粒子和顆粒之間的屏障傳導。

（4）電場相對介電常數(shù)應力消除控制，利用高介電常數(shù)層將高場強移向低介電常數(shù)凝膠，特別是該層與凝膠包封層之間的弱界面。然而填充凝膠中的居里點會增加，且高于晶體管中IGBT器件150 ℃和二極管中125 ℃的最大結溫[31]。其次，這種優(yōu)勢只有在交流領域才能體現(xiàn)。

（5）使用良好的襯底，為了確定局部放電的實際來源，研究了基材和涂層材料性質的改變對局部放電的影響。用6 種PD 性能不同的絕緣液代替凝膠，并對AlN，Al2O3，玻璃/環(huán)氧復合材料3 種基材進行了測試[32]。

（6）3D（三維）模塊布局用于限制由于在襯底頂部的銅層之間的電壓增強，但是這種方法導致雜散電感增加20%[33]。

3.2 電樹測量

日本學者Kunihiko Hidaka 通過研究硅凝膠中電樹[34]和不同襯底表面電樹枝的生長和發(fā)展過程[35]（圖6 所示），闡明了硅凝膠內部流注的發(fā)展、電荷的積累和空穴的運動之間的關系。由于凝膠的介電強度比空穴內氣隙的介電強度高一個數(shù)量級，所以流注的路徑是局域的。

Andrea Cavallini[36]等評估了電樹老化的初始和關鍵部分，即初始階段，電樹枝對施加電壓波形和頻率的依賴。通過對固體和凝膠中的針平面結構樣品進行試驗并建立了物理模型，發(fā)現(xiàn)電樹的起始與產(chǎn)生破壞的注入電流有關。在凝膠中，電壓上升時間似乎是影響樹形起始的最重要參數(shù)，而在固體材料中，電壓上升時間的頻率更重要。通過分析得出凝膠中電樹的形成是由于單個的高能激發(fā)，而不是通常所知的固體中發(fā)生的累積效應。提出了凝膠的電樹起始模型，電樹是由電場和注入凝膠的空間電荷產(chǎn)生的壓力波產(chǎn)生。

圖6 空穴的發(fā)展過程（8 kV，50 Hz）

3.3 加速老化研究

除了局部放電和電樹測量之外，對于不同材料的高溫老化后的一系列特性測試也至關重要，尤其對于發(fā)現(xiàn)新的絕緣材料和改善現(xiàn)有絕緣材料的不足。HPHT（高壓高溫）評價與監(jiān)測至關重要，分別對苯并BCB（環(huán)丁烯）、陶瓷填充氰酸酯和石英填充氰酸酯3 種化合物在300 ℃高溫老化500 h 后進行剪切試驗、掃描電鏡試驗、C-SAM（超聲波掃描顯微鏡）試驗和熱失重試驗，對比材料的化學絕緣特性和分析熱膨脹系數(shù)，發(fā)現(xiàn)石英填充氰酸酯具有替代現(xiàn)有絕緣封裝材料的可能性[27]。

文獻[24]研究了7 種工作溫度高達250 ℃的密封劑，可用于高溫大功率平面封裝。通過研究平行板之間的測量材料的流動性和固化特性來評估可加工性，發(fā)現(xiàn)通常對應于低玻璃化轉變溫度的彈性材料傾向于在大面積平面結構封裝方面表現(xiàn)更好。并通過高溫老化實驗證實材料E-G 在溫度方面相對穩(wěn)定，并且當溫度從25 ℃升高到250℃時，擊穿強度和介電常數(shù)分別降低約40%和30%，如圖7 和圖8 所示。熱老化測試表明材料在老化過程中變硬。同時，材料基質開始開裂。一旦發(fā)生裂縫，樣品的介電強度下降60%～70%，降至約10 kV/mm。

圖7 E-G 擊穿強度隨老化時間的變化

圖8 E-G 介電常數(shù)隨老化時間的變化

文獻對廣泛應用于高溫電力電子領域的聚酰亞胺薄膜進行了熱疲勞試驗。利用沉積法制備試樣考察試樣在4 種不同溫度的空氣烘箱中老化。擊穿強度在不同的老化時間測定，以此作為薄膜耐久度的指標。除了這一特性外，還測量了在老化過程中的其他特性，如低場下的直流電導率、薄膜厚度和薄膜形貌。結果表明，由于初始表面退化的影響，擊穿電壓在時效過程中呈下降趨勢，但在整個時效過程中并沒有下降，這可能會導致對電影壽命的低估。在剩余的老化過程中，厚度退化速率是恒定的，這使其成為一個合適的端點準則。但是，低場介電性能在老化過程中有所改善，不適合作為老化標志[25]。

文獻[37]選用了2 種硅樹脂材料作為穩(wěn)定軟絕緣體。在300 ℃以下的空氣環(huán)境中加速老化，利用電場強度和DRS（介電弛豫光譜）對介質性能及其在等溫老化條件下的穩(wěn)定性進行了表征。測試使用夾層結構（如圖9 所示）。實驗發(fā)現(xiàn)老化500 h 后，無裂紋出現(xiàn)，電特性變化不大，相對質量損失了6%。此外，在低電場和高電場條件下，彈性體絕緣性能在300 ℃（短期試驗）以下仍保持穩(wěn)定，而凝膠則顯示出較強的直流導電性。因此，該彈性體在250 ℃時表現(xiàn)出改善封裝性能的良好性能，有待于在封裝結構中進一步研究。

圖9 測試使用的夾層結構

4 結論與展望

基于傳統(tǒng)Si 材料的制約和寬禁帶材料SiC的大力發(fā)展，本文對電力電子的發(fā)展、電力電子器件的結構和封裝工藝、電力電子器件的檢測技術以及電力電子絕緣材料的研究進行了梳理和介紹。目前國內對電力電子絕緣材料的研究主要集中在檢測方面，對于材料本身的改性和新材料的研究較少。國外有一定的研究，但還需進一步深入。目前主要的檢測技術是局部放電和電樹枝測量技術，而對于材料介電性能的研究包括擊穿強度、介電常數(shù)、電導率、時域介電弛豫和老化性能評估等研究方法。

拓展其他研究手段，研究絕緣破壞的機理、影響因素及絕緣系統(tǒng)相關評估技術，以實現(xiàn)電力電子器件向更高工作電壓、工作溫度和開關速度發(fā)展是電力電子器件絕緣的發(fā)展方向。