康勇
电能高密度转换全国重点实验室
SiC半导体材料相对硅基半导体材料具有全面优势
材料特性与应用潜力：高温、高频、高压、低损耗、低热阻。
高温潜力：SiC芯片最高可耐受600℃高温，而Si芯片物理极限为175℃。
高频潜力：SiC MOSFET工作频率可提升至1MHz，而传统Si IGBT的工作频率一般为60kHz以下
高压潜力：SiC芯片可实现更高的掺杂浓度和更薄的外延层，单位面积导通电阻更小，更适合高压应用
SiC功率器件性能的潜力还远未发挥，技术和产业发展未来还有很大机会
IEEE ITRW成立四个小组推动宽禁带半导体器件相关技术发展及应用，其中封装集成技术是宽禁带半导体的关键发展路线之一：
（1）器件与材料：宽禁带半导体材料、设计、制造及评估
（2）封装集成：通过器件封装集成技术，提升器件电磁热力性能，发挥宽禁带半导体器件的高速、高温优势
（3）碳化硅系统及应用：碳化硅功率器件应用场合及性能需求
（4）氮化镓系统及应用：氮化镓功率器件应用场合及性能需求
IEEE宽禁带半导体路线图组织（International Technology Roadmap on Wide Bandgap Semiconductors）:在全球范围内促进宽禁带功率半导体技术的研究、教育、创新和应用
封装：是充分发挥功率半导体性能的保障
封装的技术关键：处理好电气连接过程中的绝缘、导热和机械应力问题
系统集成：直接影响电力电子器件的效率、功率密度和可靠性
系统集成的关键技术：处理好电气连接过程中的绝缘、导热、机械应力和控制性能问题
SiC功率半导体器件封装和系统集成的问题是尺度不同的共性问题
封装技术与集成技术要解决的关键技术大部分是一样的
SiC功率半导体器件封装集成目前面临的共同技术挑战：
（1）高开关速度引起电磁寄生参数：高参数下快速开关导致宽频电磁振荡，封装和装联都要降低寄生参数
（2）小芯片面积导致强热流密度：小尺寸热量聚集加速器件老化失效，封装和功率组件都要提高散热能力
（3）材料高应力应变降低可靠性：异质材料界面性能失配危及可靠运行，封装内部和外部的应力都加大了
（4）高集成度引起强电磁热力藕合：多物理场耦合效应恶化系统性能，封装内外都存在多物理场耦合问题
碳化硅行业发展需要新的研究和产业模式：
功率模块布局结构决定着器件的寄生电感
由单回路布局向多回路及三维回路等高性能布局发展
功率器件封装关键技术2：高可靠芯片互连技术
芯片互连结构影响着器件的通流能力、热阻及可靠性等多方面性能；
为了实现更高的性能，由铝线键合向铝带键合、铜线键合、铜夹互连、双面基板互连及柔性基板互连等方向发展
功率器件封装关键技术3：高可靠封装材料 — 芯片粘接材料
芯片粘接材料是功率器件实现低热阻及高可靠性的关键
为了高可靠、低热阻粘接，由合金焊料向瞬态液相键合、纳米银烧结、纳米铜烧结发展
功率器件封装关键技术3：高可靠封装材料 — 绝缘材料
功率器件绝缘材料影响器件的耐压、耐温，且保证环境适应性；
在工业界，硅凝胶及环氧树脂材料最为成熟，应用最为广泛；其中，环氧树脂能够实现更高的可靠性及环境适应性；
功率器件封装关键技术4：高效散热技术
器件的散热技术直接决定着器件的负载能力及系统功率密度；
采用高热导率界面层材料、减少连接界面层数，或提高散热器对流系数，降低热阻；
功率器件封装关键技术5：高密度系统集成技术
电力电子变换器系统由大量元件组成，基于高性能功率器件，考虑电磁热力耦合进行高密度集成设计、低电磁干扰技术研究及元件封装集成，提升系统功率密度
基于标准封装功率器件，由多个组件组装而成
器件外形、电气接口及散热方式限制系统功率密度
封装集成技术发展趋势-封装
封装集成技术发展趋势-集成
封装集成技术发展趋势-系统级封装集成技术
系统级封装集成技术将封装技术与系统集成技术相结合，进一步突破功率密度瓶颈；
系统级封装目前仅在小功率器件中实现，在大功率场合需要打破器件封装与整机设计之间的壁垒；突破系统封装结构设计及关键工艺，进一步提升大功率变换器的功率密度；
华中科技大学相关研究成果
针对封装集成面临的关键挑战以及未来发展目标，华中科技大学开展封装集成关键技术研究，以突破碳化硅功率器件性能参数
相关成果支撑新能源、航空航天等领域关键装备性能的提升
研究内容1：多层基板低感封装
提出多层基板结构优化技术，将模块寄生电感降低至1nH，充分发挥碳化硅器件高速优势
提出芯片嵌入式多层基板封装技术，降低多层基板封装热阻；
研究内容2：高可靠铜夹互连封装
研究内容3：芯片双面基板互接封装
提出双面基板互连封装的多回路布局结构，实现2nH以下的寄生电感；
提出双面基板互连封装的垫片优化技术，进一步将模块热阻降低15%
研究内容4：高温封装
为发挥SiC器件高温优势，降低系统成本，提出低应力高温封装技术，实现低热阻、高可靠的高温SiC功率器件
研究内容5：芯片柔性互连封装
研发大电流1200V/1000A柔性基板互连封装SiC功率模块；
提出适用于柔性互连封装的低感布局结构，实现了极小尺寸、极低寄生电感、极高动态均流性能
研究内容6：低成本高性能金属互连材料
提出纳米铜-银复合焊膏、阵列式复合纳米线等新型互连材料自主制备技术，为解决现有商用纳米银膏成本高、纳米铜膏易氧化难题提供新思路
研究内容7：轻质高导热、低CTE复合散热材料
提出金属/碳基材料复合结构和制备工艺
研制出可兼顾轻质、高导热、低CTE 新型散热底板
研究内容8：高功率密度集成技术
提出高性能功率器件的高密度系统集成技术，实现140kW/L的高功率密度逆变器；
提出中大功率电路的高密度系统级封装技术，功率密度提升至现有商用水平的3~5倍
研究内容8：高功率密度集成技术
无源滤波元件的封装集成，提升滤波性能， 实现低EMI干扰及高系统集成度
低EMI驱动集成技术，实现驱动芯片在大功率SiC功率器件中的封装集成
总结：
碳化硅器件已经经历了30多年的研究发展，刚刚进入产业应用阶段，其优异性能还未充分发挥，无论是研究还是产业，未来都还有很好的发展机遇。
封装集成技术的进步，是充分发挥碳化硅器件性能的重要保障，而且需要协同发展，需要新的研究和产业模式支持其协同发展。
基于碳化硅为代表的宽禁带功率半导体的优良特性，通过封装集成技术的进步，有望实现电力变换功率密度的大幅提升，从而带来类似信息半导体集成度提升后的产业变革
