碳化硅IGBT 电力电子器件封装和绝缘研究综述

戴 超，陈向荣

（浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室（浙江大学），杭州 310027）

0 引言

随着智能电网、全球能源互联和泛在电力物联网的提出，以新能源、新技术、新工艺和新材料为基础的电力电子技术得到飞速发展。在电力电子技术发展的同时，与其相关的电力电子器件的工作可靠性，尤其电气绝缘性能面临更加严峻的挑战。

电力电子器件产生于上世纪50 年代，最初由美国贝尔实验开发，而后由美国通用公司商业化，标志着第一代电力电子器件的诞生[1]。随着科技的不断发展和电力变换需求的逐步提升，电力电子从第一代SCR（可控整流器）逐步发展，经过第二代的BJT（双极结型晶体管）、GTO（可关断晶体管）、MOSFET（半导体场效应晶体管），第三代的IGBT（绝缘栅双极性晶体管）到第四代智能化集成电路和智能功率模块电力电子器件。短短50 年的时间电力电子技术发生了飞跃性的发展。随着21 世纪新能源的发展、全球能源互联的需求和泛在电力物联网的提出，之前以Si（硅）单质为基础的电力电子器件的性能制约着目前电力电子器件朝着高压、高温和高频方向的发展[2]。

随着电力电子系统的快速发展，急切需要研发出更好的电力半导体器件。Si 器件在这一领域一直处于主导地位，为进一步提高器件的开关和导通性能，目前几乎达到了材料理论极限[3]。因此，基于WBG（宽能带间隙）材料的器件开始引起电力电子工程师的关注。与硅功率器件相比，WBG 功率半导体具有较低的本征载流子浓度（10～35 次数量级）、较高的击穿电场（4～20 倍）、较高的导热系数（3～13 倍）和较大的饱和电子漂移速度（2～2.5 倍）[4]。在相同的模具尺寸和厚度下，将这些特性转化为设备规格。同时，WBG 器件可以提供更高的击穿电压、更大的电流、更高的工作温度、更快的开关速度和更低的开关损耗。图1 描述了WBG 和Si 器件的性能对比，从理论上看，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）器件的性能在多方面方面均优于Si 器件。

图1 Si，SiC 和GaN 性能对比

目前对于SiC 电力电子器件的研究相对更为成熟，然而，由于目前研发的SiC 电力电子器件的封装结构和封装材料都是沿用Si 器件，这导致SiC 电力电子器件的发展受到了巨大限制[5-6]。SiC 电源模块封装的挑战来自于SiC 器件的独特特性，主要表现在以下两个方面：

（1）开关速度快。与硅器件相比，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]下切换。

（2）高温高场下运行。SiC 器件具有在200～300 ℃高温下工作的超常能力。这个温度已经远远超出了硅器件的传统封装材料系统的适宜范围（通常不高于175 ℃）。

1 SiC IGBT 的结构和封装方法

SiC IGBT 被视为未来高压应用潜力最大的功率开关，因为它具有优异的导通调制性能。SiC IGBT 近年来备受关注，并且已经报道了几种具有超过10 kV 的阻断电压能力的结构[8]。预计在不久的将来这些电源开关的电压能力可提高到20～30 kV[9]，从而拓宽了SiC 电源开关的应用领域。在功率MOSFET 开发中实现的MOS 接口质量和大通道迁移率的成就对于设计具有高电性能的IGBT 结构是至关重要的。

IGBT 是PWM（脉冲宽度调制）电压源变频驱动器中应用最广泛的功率传感器。衬底的选择是基于它们在高压下的电气绝缘性能、热性能（耐高温和良好的导热性）和机械性能（与其他材料的膨胀系数尽可能匹配）。常用的材料有AlN（氮化铝）和Al2O3（氧化铝）。在这方面，AlN 优于Al2O3，因为它具有优异的热性能和机械性能。AlN 陶瓷的导热系数一般为180 W/mK，而Al2O3陶瓷的导热系数为27 W/mK。将铜金属化附在陶瓷衬底上可以通过DBC（直接粘结铜）或AMB（活性金属钎焊）来实现。图2 为AMB 方法的IGBT 模块的结构示意。

图2 AMB 方法的IGBT 模块结构

DBC 不需要铜焊层，一个标准的传统电源模块为7 层结构，包括一个散热器、一个衬底、DBC 衬底和这些层之间的连接件，如图3 所示。整个模块由软介电体（如硅凝胶）封装，以防止在空气中发生放电，保护半导体、基片和连接免受潮湿、污垢和振动，硅胶也可以作为绝缘材料。这种模块结构通常具有高寄生功率环电感从20～30 nH 不等[10]。

图3 DBC 方法的IGBT 模块结构

SiC 器件具有高速开关能力，这使器件对其封装寄生效应敏感。功率模块中的寄生电感会在开关器件上引起高压过冲和振荡，从而增加器件开关损耗[11]和模块的EMI（电磁干扰）辐射。先进的封装结构可以通过优化封装内的电流换向回路布局，显著地帮助最小化环路寄生效应并减少功率模块的EMI 辐射。具体有以下3 种方式：

（1）改进的连接线键合结构和采用混合结构。

（2）无线结构，其中包括DLB（直接引脚键合）结构、SKiN 结构、嵌入式结构、SiPLITB（塞米昆平面互连技术）和2.5D 结构等。

（3）3D 封装结构，其中包括CoC（片上芯片）结构和晶圆级封装结构。

2 封装材料系统

为了使封装材料系统具有与SiC 材料相容的高击穿电场强度、相容的热机性能、与碳化硅材料相匹配的良好的CTE（热膨胀系数）并能承受较高的工作温度，需要从衬底材料、芯片连接、键合方式和封装绝缘材料四个方面进行研究。

2.1 衬底材料

功率封装衬底由两层金属和绝缘层（通常为陶瓷层）组成，不同的金属和陶瓷材料在模块封装中提供不同的性能。表1 列出了4 种常用陶瓷材料[12-15]的性能比较。在所有的选择中，Al2O3是最经济的，但具有最高的热阻抗和中等的机械强度。BeO 具有最高的导热系数，但在加工过程中接触到的粉尘颗粒对人体健康有害。相对而言，AlN是一种安全的材料，具有比Al2O3高得多的导热系数。CTE 与SiC 材料的匹配性更强，其抗弯强度和热循环寿命与Al2O3相似。热循环寿命方面，Si3N4具有较高的循环可靠性，是一种较好的选择，但代价是较高的材料成本和较低的导电性[16]。

2.2 芯片连接材料

芯片连接材料主要包括环氧胶粘剂、替代树脂、共晶模附焊料、软钎焊和银玻璃材料五大类[17]，可分为高温使用和低温使用。目前最常用的两种模接材料是焊料合金和导电环氧树脂。大多数用于商业小信号器件的含银环氧树脂在温度接近200 ℃时失效，它们的低工作温度不适用于高温。使用有机化合物的替代树脂也适用于低功率硅器件。

2.3 键合方式

铜线键合是连接电力电子组件中高电流互连的最有前景的技术之一[18-19]。铝线焊接工艺的布局灵活性和质量是促进铜线焊接发展的两个原因。最近引入了由Al 和Cu 复合材料制成的新型重线焊接，与纯Cu 线相比，芯片表面的金属化不需要改变以建立稳定的键合工艺。另一种键合方法是Cu 和Al 带键合[20]。由于实现与引线键合互连相同的互连电阻所需的带数较少，这些连接可以承载更高的电流，并且根据相应的键合工艺和所选择的带状材料显示出更好的功率循环能力。

表1 4 种常用陶瓷材料的性能比较

2.4 封装绝缘材料

IGBT 器件分为压接型和焊接型。压接型IGBT 由于通流容量大和优良的短路特性适用于柔性直流输电。但压接型IGBT 器件主要是气体绝缘，由于压接工艺受到保护，其绝缘问题鲜有报道[21]，而焊接型器件绝缘封装材料可保护功率模块组件免受外部环境损害，如湿气、溶剂、气体和辐射[22]。此外，封装材料还有望提高高压模块（1 000 V）封装的额定电压，并防止在高压下产生电弧。高温应用的需要对传统的封装材料提出了挑战，玻璃、水凝陶瓷和聚合物这3 种材料可能适合于高压高温电力电子包装。材料应是可处理的，并与模块结构兼容（如表2 所示），具体为：

（1）玻璃具有良好的化学稳定性和良好的介电性能，可以在高温下工作。这类材料的主要缺点是烧成温度高，超过500 ℃，杨氏模量高，导致热机械应力大。硼硅酸盐玻璃是最适合电力电子应用的玻璃，其过渡温度高，CTE 低，烧成温度相对较低，约为600 ℃，但这样的温度足以影响半导体的金属化性能以及组件的可靠性[23]。这可以解释为什么没有研究玻璃作为电力模块的介质封装[3]。

（2）第二类材料是指水凝胶陶瓷。它们可在高于1 000 ℃的温度下使用，并具有良好的化学稳定性和良好的介电性能。水溶胶陶瓷的主要优点是它们的固化温度低，可以在室温下进行。然而，这些陶瓷具有高杨氏模量（＞100 GPa）和3～6 mg/m3的CTE，如果不同材料之间的CTE 不匹配，则会在结构中产生高应力并导致严重的可靠性问题。

（3）第三类材料也可分为两类：软封装和硬封装。软封装材料的玻璃化转变温度Tg 低于最低工作温度，因此，该材料在其橡胶状态下工作并且是柔软的，表现出高CTE，具有几毫帕量级的非常低的杨氏模量。有机硅凝胶由于其非常高的柔软性和高绝缘性而被广泛用于封装高压多芯片功率组件。

在第二种情况下，聚合物相对较硬，CTE 较低，杨氏模量相对较高（如GPa）[24]。一些第二类聚合物（如聚酰亚胺BPDA-PDA 和PA-HI）在超过300℃的温度下进行测试可靠性高[25]。然而，前者的沉积技术（聚合物气相沉积）和后者的有限厚度（50 μm）减少了它们在晶圆水平上的使用[26]。苯并环丁烯BCB 是候选聚合物，在300 ℃以上是稳定的，但厚膜遇到的主要问题是在固化过程中产生空洞[27]。针对SiC 模块的高电压/高电场特性，高击穿电压的封装材料对封装系统也很重要。这些材料的货架外选择包括硅凝胶、PAI 材料和BCB 材料。

3 封装绝缘研究现状

3.1 局部放电和调控

由于高电场，特别是在铜金属化边缘可以产生局部放电。最坏的情况是在例如AMB 方法中金属化以下一些钎焊的边缘非常锋利的凸起，如图4 所示。

表2 高压封装候选材料汇总

图4 在金属化下钎焊边缘非常锋利的凸起

实验表明，局部放电并不总是沿着锐边发生，这是因为材料缺陷和高电场强度的结合导致了局部放电。

为了研究应用非线性场分级材料减轻高电场区域特别是突出部分的电场强度的好处，文献[28]中进行了FEM（有限元方法）模拟，见图5。

图5 计算电场分布的有限元仿真模型

目前IGBT 工作在1.5 kV 及以上的标准为IEC 61287—1[29]。标准中，对凝胶封装的IGBT 模块的绝缘性能的评估是不充分的（IEC 61287，主要针对铁路应用），没有评估由IGBT 芯片和凝胶组成的绝缘结构，因为在模具和凝胶的交流电压下的局部放电测量是不可行的。华北电力大学崔翔团队提出了一种新的测试方法，可以测量直流电压下IGBT 模块所有元件的局部放电[30]。

对于局部放电的调控，主要有以下6 个措施：

（1）对器件内部几何电场进行调控，主要涉及金属层的厚度、衬底的厚度、边缘的形状以及金属/导电层偏置。然而，衬底厚度的增加会降低半导体的冷却效率，而且这种技术可能无法满足电力电子产品的小型化需求。

（2）线性电阻电场控制，在高应力区域应用功能材料可以减小电场。材料的电导率随电场变化，材料的介电常数随电场相对介电常数变化。在电场应力消除控制或也称为电阻场控制，导电层应用在金属化边缘。电场分布是由流过该层的导电电流来改变的。用于电阻场控制的材料可以是线性的，也可以是非线性的。线性电阻场控制材料的电导率与场无关。因此，必须仔细选择线性材料制成的导电层。

（3）非线性电阻电场控制，颗粒的本征半导电性质及其连通性导致非线性电阻电场控制复合材料的非线性行为。在这方面，如果填料浓度超过规定的限度，颗粒与颗粒之间的接触是可能的。电场强度也必须足够高，使传导通过半导电粒子和颗粒之间的屏障传导。

（4）电场相对介电常数应力消除控制，利用高介电常数层将高场强移向低介电常数凝胶，特别是该层与凝胶包封层之间的弱界面。然而填充凝胶中的居里点会增加，且高于晶体管中IGBT器件150 ℃和二极管中125 ℃的最大结温[31]。其次，这种优势只有在交流领域才能体现。

（5）使用良好的衬底，为了确定局部放电的实际来源，研究了基材和涂层材料性质的改变对局部放电的影响。用6 种PD 性能不同的绝缘液代替凝胶，并对AlN，Al2O3，玻璃/环氧复合材料3 种基材进行了测试[32]。

（6）3D（三维）模块布局用于限制由于在衬底顶部的铜层之间的电压增强，但是这种方法导致杂散电感增加20%[33]。

3.2 电树测量

日本学者Kunihiko Hidaka 通过研究硅凝胶中电树[34]和不同衬底表面电树枝的生长和发展过程[35]（图6 所示），阐明了硅凝胶内部流注的发展、电荷的积累和空穴的运动之间的关系。由于凝胶的介电强度比空穴内气隙的介电强度高一个数量级，所以流注的路径是局域的。

Andrea Cavallini[36]等评估了电树老化的初始和关键部分，即初始阶段，电树枝对施加电压波形和频率的依赖。通过对固体和凝胶中的针平面结构样品进行试验并建立了物理模型，发现电树的起始与产生破坏的注入电流有关。在凝胶中，电压上升时间似乎是影响树形起始的最重要参数，而在固体材料中，电压上升时间的频率更重要。通过分析得出凝胶中电树的形成是由于单个的高能激发，而不是通常所知的固体中发生的累积效应。提出了凝胶的电树起始模型，电树是由电场和注入凝胶的空间电荷产生的压力波产生。

图6 空穴的发展过程（8 kV，50 Hz）

3.3 加速老化研究

除了局部放电和电树测量之外，对于不同材料的高温老化后的一系列特性测试也至关重要，尤其对于发现新的绝缘材料和改善现有绝缘材料的不足。HPHT（高压高温）评价与监测至关重要，分别对苯并BCB（环丁烯）、陶瓷填充氰酸酯和石英填充氰酸酯3 种化合物在300 ℃高温老化500 h 后进行剪切试验、扫描电镜试验、C-SAM（超声波扫描显微镜）试验和热失重试验，对比材料的化学绝缘特性和分析热膨胀系数，发现石英填充氰酸酯具有替代现有绝缘封装材料的可能性[27]。

文献[24]研究了7 种工作温度高达250 ℃的密封剂，可用于高温大功率平面封装。通过研究平行板之间的测量材料的流动性和固化特性来评估可加工性，发现通常对应于低玻璃化转变温度的弹性材料倾向于在大面积平面结构封装方面表现更好。并通过高温老化实验证实材料E-G 在温度方面相对稳定，并且当温度从25 ℃升高到250℃时，击穿强度和介电常数分别降低约40%和30%，如图7 和图8 所示。热老化测试表明材料在老化过程中变硬。同时，材料基质开始开裂。一旦发生裂缝，样品的介电强度下降60%～70%，降至约10 kV/mm。

图7 E-G 击穿强度随老化时间的变化

图8 E-G 介电常数随老化时间的变化

文献对广泛应用于高温电力电子领域的聚酰亚胺薄膜进行了热疲劳试验。利用沉积法制备试样考察试样在4 种不同温度的空气烘箱中老化。击穿强度在不同的老化时间测定，以此作为薄膜耐久度的指标。除了这一特性外，还测量了在老化过程中的其他特性，如低场下的直流电导率、薄膜厚度和薄膜形貌。结果表明，由于初始表面退化的影响，击穿电压在时效过程中呈下降趋势，但在整个时效过程中并没有下降，这可能会导致对电影寿命的低估。在剩余的老化过程中，厚度退化速率是恒定的，这使其成为一个合适的端点准则。但是，低场介电性能在老化过程中有所改善，不适合作为老化标志[25]。

文献[37]选用了2 种硅树脂材料作为稳定软绝缘体。在300 ℃以下的空气环境中加速老化，利用电场强度和DRS（介电弛豫光谱）对介质性能及其在等温老化条件下的稳定性进行了表征。测试使用夹层结构（如图9 所示）。实验发现老化500 h 后，无裂纹出现，电特性变化不大，相对质量损失了6%。此外，在低电场和高电场条件下，弹性体绝缘性能在300 ℃（短期试验）以下仍保持稳定，而凝胶则显示出较强的直流导电性。因此，该弹性体在250 ℃时表现出改善封装性能的良好性能，有待于在封装结构中进一步研究。

图9 测试使用的夹层结构

4 结论与展望

基于传统Si 材料的制约和宽禁带材料SiC的大力发展，本文对电力电子的发展、电力电子器件的结构和封装工艺、电力电子器件的检测技术以及电力电子绝缘材料的研究进行了梳理和介绍。目前国内对电力电子绝缘材料的研究主要集中在检测方面，对于材料本身的改性和新材料的研究较少。国外有一定的研究，但还需进一步深入。目前主要的检测技术是局部放电和电树枝测量技术，而对于材料介电性能的研究包括击穿强度、介电常数、电导率、时域介电弛豫和老化性能评估等研究方法。

拓展其他研究手段，研究绝缘破坏的机理、影响因素及绝缘系统相关评估技术，以实现电力电子器件向更高工作电压、工作温度和开关速度发展是电力电子器件绝缘的发展方向。