锡片或锡膏常用于芯片和 DBC 板的连接，焊接技术非常成熟而且简单，通过调整焊锡成分比例，改进锡膏印刷技术，真空焊接减小空洞率，添加还原气体等可实现极高质量的焊接工艺。但焊锡热导率较低(~50W/(mK))，且会随温度变化等，并不适宜 SiC 器件在高温下工作。此外，焊锡层的可靠性问题也是模块失效的一大原因。烧结银连接技术凭借其极高的热导率(~200W/(mK))，低烧结温度，高熔点等优势，有望取代焊锡成为 SiC 器件的新型连接方法[38-39]。银烧结工艺通常是将银粉与有机溶剂混合成银焊膏，再印刷到基板上，通过预热除去有机溶剂，然后加压烧结实现芯片和基板的连接。为降低烧结温度，一种方法是增大烧结中施加的压力，这增加了相应的设备成本，而且容易造成芯片损坏；另一种方法是减小银颗粒的体积如采用纳米银颗粒，但颗粒加工成本高，所以很多研究继续针对微米银颗粒进行研究以得到合适的烧结温度、压力、时间参数来现更加理想的烧结效果[40]。图 12 给出了一些典型的焊锡和烧结材料的热导率和工作温度对比图[39]。此外，为确保碳化硅器件稳定工作，陶瓷基板和金属底板也需要具备良好的高温可靠性。表 2、3分别给出了目前常用的一些基板绝缘材料和底板材料[40]，其中：λ 为热导率；α为热膨胀系数；R为挠曲强度；ρ 为密度。λ 越高，散热效果越好，α 则影响了封装在高温工作时不同层材料之间的热应力大小，不同材料间α 差异越大，材料层间热应力就越高，可靠性越低。所以寻λ 高、α 值和碳化硅材料(3.7ppm/K)相近的材料是提高封装可靠性和关键所在。
如表 2 所示，Al2O3 具有成本低，机械强度高等优点，是目前最常用的绝缘材料，但λ 值低，α值明显偏大，不适合碳化硅的高温工作。AlN λ 值高，α 值接近 SiC 材料，成本合适，是目前较为理想的碳化硅器件的基板材料。BeO 虽然 λ 值高，但其强毒性则限制了其应用。Si3N4 α 值最接近 SiC材料，而且 R 值大，在热循环中更不容易断裂，也是一种适合碳化硅器件高温工作的绝缘材料，但其λ 值较低，而且成本很高，限制了其广泛的应用。为提高陶瓷基板覆铜层的可靠性，覆铝陶瓷板(DBA)以及活性金属钎焊(active metal brazing，AMB)等工艺也受到人们越来越多的关注。如表 3所示，Cu 作为底板材料热导率更高，但其与基板之间热膨胀系数相差较大。Al 作为底板，成本低，还可显著降低整体重量，但在热导率和热膨胀系数匹配方面均表现较差。Cu 基合金如 Cu/Mo，Cu/W，Cu/C 等在热导率和热膨胀系数方面性能均较为优越，但其密度和成本均较高。AlSiC 的成本，密度，热膨胀系数均十分理想，但缺点在于热导率较低。具体使用情况需要结合实际情况综合决定。综上可以看出，材料是保证碳化硅器件高温可靠工作的根本。而在实际设计过程是，考虑多方面综合因素寻找最合适的材料也是器件封装设计中的一大难点所在。
3 多功能集成封装技术
3.1 多功能集成封装技术
碳化硅器件的出现推动了电力电子朝着小型化的方向发展，其中集成化的趋势也日渐明显。瓷片电容的集成较为常见[41]，通过将瓷片电容尽可能靠近功率芯片可有效减小功率回路寄生电感参数，减小开关过程中的震荡、过冲现象。但目前瓷片电容不耐高温，所以并不适宜于碳化硅的高温工作情况。驱动集成技术也逐渐引起了人们的重视，三菱、英飞凌等公司均提出了 SiC 智能功率模块(intelligent power module，IPM)，将驱动芯片以及相关保护电路集成到模块内部，并用于家电等设备当中[42-43]。如图 13 所示，浙江大学团队通过将瓷片电容、驱动芯片和 1200V SiC 功率芯片集成在同一块 DBC 板上，使半桥模块面积仅为 TO-247 单管大小[44]，极大地减小了驱动回路和功率回路的寄生电感参数。阿肯色大学则针对碳化硅芯片开发了相关的 SiC CMOS 驱动芯片以充分开发 SiC 的高温 性能[45]。
1）低杂散电感封装结构综合性能的进一步研究验证。例如封装结构的功率循环、温度循环能力，实际散热效果，制造难度和成本，以及实现大功率模组的串并联难易程度等。2）适用于高温工作的封装材料的研究。开发耐高温、具有优良导热系数、热膨胀系数相互匹配的封装材料始终是提升封装高温工作可靠性的关键；同时，改进工艺、降低现有优良封装材料的生产成本和工艺难度也是封装朝着高温方向发展的重要制约因素。3）多功能集成封装模块的内部干扰、共同散热等关键问题研究。模块的多功能集成是电力电子的发展趋势，但瓷片电容、传感器、栅极驱动等还无法完全匹配碳化硅的高温高频性能、散热和电磁兼容问题；开发高温电容、功率芯片片内集成传感器、研究 SiC CMOS 驱动芯片或者采用 SOI(silicon on insulator)等工艺方案都有待进一步探索。4）新型散热方式的探索。减小芯片散热路径上的热阻是封装散热技术的关键，一方面，利用高导热系数材料，另一方面可以减少封装的层叠结构，如：DBC 直连散热器、微通道液冷散热器集成及芯片直接散热方式等均为碳化硅器件的散热提供了更多的可能。可以预见，碳化硅器件和封装技术的发展已 经为电力电子技术打开了一扇更广阔的大门，助力电力电子技术朝着高频、高效、高功率密度的方向前进。
