一文看懂SiC先进热管理与封装技术

如今碳化硅分立器件与功率模块被广泛应用于各类高效率电能转换设备，例如车载驱动逆变器、车载充电机、光伏设备及工业驱动器。相较于传统硅基器件，这种宽禁带材料拥有更高的击穿电压、更高结温耐受能力以及更高工作开关频率。

碳化硅的导热性能同样优于硅，核心原因是其导热系数更高。

表1：碳化硅与硅材料的导热系数、最高结温参数对比

碳化硅更高的击穿电场，能够在满足同等耐压标准的前提下缩小芯片裸片尺寸。芯片总发热量不变，但散热面积更小。与此同时，碳化硅器件可在200℃以上的结温环境下稳定工作，远超出传统焊料贴片工艺的耐受极限，这也使得封装设计成为至关重要的设计环节。

本文围绕碳化硅功率器件高效、安全运行所需的各类封装技术展开论述，内容由下至下逐层递进，依次介绍芯片贴片、互连结构、基板，最后阐述散热方案。

先进芯片贴片工艺

芯片贴片层用于将半导体裸片粘接至基板，是热量传导路径上的第一层界面，也是器件最易发生失效的位置（见图1）。传统锡铅焊料、锡银铜焊料无法适配碳化硅器件的高温工作环境，且材料刚性不匹配。

另外，常规硅器件配套基板与碳化硅裸片的热膨胀系数（CTE）存在差异，将碳化硅裸片焊接至这类基板上会产生局部机械应力。

图1：标准功率模块截面结构及常见失效薄弱点

银烧结、铜烧结工艺以银（Ag）或铜（Cu）微纳米颗粒层替代传统焊料，将颗粒压制在裸片与基板之间。在加热、加压条件下，银粉或铜粉完成烧结，金属不发生熔融，在碳化硅裸片与基板之间形成高导电、高强度粘接层。

这种致密、近乎纯金属的粘接层，导热系数是焊料的数倍，熔点接近块状银、铜金属（高于900℃）。该工艺可保障器件在更高结温下稳定运行，同时具备更优异的耐热疲劳性能，延长功率循环使用寿命。

图2为AMX Micro-Punch烧结设备。该设备可对基板上每一颗元器件单独施压，精准控制压力大小；操作人员可通过控制面板界面设定压力、温度工艺参数。

银烧结是当前高可靠性功率电子领域最先进的烧结工艺。而铜烧结凭借成本更低、原材料储量充足、机械强度优异等优势，正逐步成为替代方案。

图2：AMX Micro-Punch设备，配备可独立控压的冲压头

Semikron Danfoss 基于单面烧结工艺，自主研发双面烧结技术SKiN。绝大多数功率半导体芯片正面采用超声波铝丝键合完成电气连接。该企业的方案用银烧结层替代芯片背面连接结构，整机仅剩金属键合丝一处薄弱环节。

Semikron Danfoss 通过将烧结工艺与柔性箔层结合解决该短板（见图3）。该方案不仅替换芯片侧的键合丝，同时替代直接覆铜基板分区之间的连接线路，芯片正面几乎全部面积均可作为电气接触面。这种面接触结构比金属丝键合更牢固，大幅提升功率循环耐受能力。

图3：双面烧结技术，将芯片上下两面分别粘接至基板或柔性导电层

无键合丝互连方案

铝丝键合是硅器件领域的经典互连方案，但金属键合丝会产生较大寄生环路电感，无法适配碳化硅器件的高开关频率。碳化硅器件开关时电压变化率dv/dt、电流变化率di/dt数值极高，寄生电感会引发电压过冲、信号振铃与电磁干扰。除此之外，反复冷热循环会使键合点弯折变形，极易出现焊盘脱落、裂纹失效。

铜夹片/平面铜结构是无丝互连的典型方案。该方案摒弃金属丝，采用低矮、刚性铜导体覆盖裸片正面大面积区域，实现电气连接。

相较于键合丝，铜夹片方案环路寄生电感大幅降低，同时电流在裸片内分布更均匀。搭配双面烧结工艺后，芯片正面额外新增一条散热通路。

集成度最高的方案为嵌入式裸片PCB封装技术。该工艺将碳化硅裸片直接嵌入PCB板材内部，彻底省去传统引线框架与封装外壳。

器件互连通过电镀微通孔实现，而非金属键合丝，裸片与外围电路之间形成最短电气通路。该方案寄生电感近乎消除，封装厚度与PCB板材一致，器件可实现高频开关，同时降低电磁干扰。

东芝电子欧洲分公司在2026年PCIM电力电子展上展出PCB嵌入式裸片技术，可将碳化硅MOSFET裸片等功率半导体器件嵌入PCB内部（见图4）。

图4：东芝PCB嵌入式技术，半桥结构中将两颗碳化硅晶体管、两颗低压硅晶体管与栅极驱动芯片直接嵌入PCB板材

该先进封装方案优势显著：缩小器件体积、优化散热性能，消除高开关频率功率器件的寄生电感干扰。东芝表示，展会上展出的原型设备适用于车载逆变器等电气化场景，输出功率可达兆瓦级别。目前该技术仍处于研发阶段，东芝正寻求与潜在客户开展合作。

引脚与栅极驱动架构

开尔文源极引脚广泛应用于碳化硅分立器件。该架构单独设置专用引脚，仅用于栅极驱动回路的信号回流，与主功率源极通路相互独立。若无开尔文引脚，负载大电流会与栅极回流共用同一条导线，电流变化会产生压降，干扰驱动芯片采集的栅源电压，拖慢开关速度、增加功率损耗。

TO-247-4封装、多引脚贴片封装普遍采用开尔文连接，将栅极回流回路与功率电流通路隔离，即便di/dt数值极高，依旧能实现干净、快速的开关动作。

基板

基板位于芯片贴片层与底座之间，承担电气绝缘、机械支撑、热量传导三大作用。硅功率器件与模块普遍采用氧化铝陶瓷直接覆铜基板（DBC）。但氧化铝机械强度偏低，与碳化硅热膨胀系数匹配度差，器件长期冷热循环工作时，基板极易开裂。

活性金属钎焊（AMB）基板可解决该问题。标准DBC基板采用氧化键合工艺，而AMB基板通过高温钎焊工艺，将铜层直接粘接至氮化硅（Si₃N₄）、氮化铝（AlN）等韧性更强的陶瓷基材。

氮化硅断裂韧性、抗弯强度优于氧化铝，反复冷热循环下抗开裂能力更强，导热系数适中（约70–90瓦/米・开）。氮化铝导热系数高于氮化硅（约170–200瓦/米・开），但材质更脆，更适用于冷热循环工况温和的场景。

灌封材料与导热界面材料（TIM）

灌封材料为填充在裸片、键合丝周边的凝胶或模塑料，保护功率模块不受湿气、污染物侵蚀，同时抑制高压电弧（局部放电）。传统软性有机硅凝胶适配150℃以内的硅基功率器件，但碳化硅模块持续在175–200℃区间工作时，这类凝胶会出现老化、释气、绝缘强度衰减等问题。

碳化硅器件主要有两类替代方案：一类是改良热稳定性能的专用高温有机硅凝胶；另一类是高填充硬质环氧模塑料（EMC），用于传递模塑封装。环氧模塑料玻璃化温度更高，抗局部放电能力更强，机械刚性优异，冷热循环时可固定裸片位置；但相较于软性凝胶，环氧模塑料会对裸片、互连结构施加更大机械应力。

碳化硅功率模块封装会使用导热界面材料，疏导器件高频开关、高温结温产生的高密度热流。纳米银导热界面材料采用银纳米颗粒制备，导热系数高，冷热循环工况下可靠性优异。

液态金属导热界面材料多以镓合金为基材，散热能力更强，适用于超高散热需求场景，常应用于压接式功率器件，实现无压力互连，降低热机械应力。

散热方案

即便芯片贴片、互连结构、基板全部完成优化，热量仍需从模块底座导出。常规设计将底座通过薄层导热膏、导热垫片固定在独立散热片上，但这层导热介质厚度薄，热阻往往高于散热通路中其余所有部件。

直液冷方案可消除该界面：散热微结构（见图5，多为阵列针翅）直接集成在模块铜底座内部或表面，冷却液直接与散热翅片接触，无需额外螺栓固定散热片。

该方案移除散热通路中的导热界面材料/导热膏，降低整体热阻，散热系统体积更小、重量更轻。目前直液冷是车载驱动逆变器模块的标准散热方案，工业驱动器领域应用规模持续扩大；针翅底座通过O型密封圈与冷却液流道密封，彻底摒弃导热膏界面。

图5：Semikron Danfoss 专利Shower Power直液冷系统，迂回流道引导冷却液均匀覆盖底座，持续、直接接触发热核心区域完成散热

双面冷却（DSC）封装同样广泛应用于碳化硅功率模块。该方案两侧均采用银烧结互连结构搭配DBC/AMB基板，散热功率更高、可靠性更佳。图6为博格华纳研发的800V双面冷却碳化硅功率模块，适配车载驱动逆变器。双面冷却功率模块可同时从碳化硅功率开关上下两面导出热量，既可以降低器件工作结温，也支持更高电流密度运行。

图6：BorgWarner双面冷却方案，紧凑型高效设计，适配大功率应用场景