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电动汽车驱动 宽禁带半导体 SiC器件 ★ 5.0

用于高温碳化硅功率器件的薄膜封装解决方案

Thin-Film Encapsulation Solution for High-Temperature SiC Power Devices

作者 Rong Zhang · Zexin Liu · Kangyong Li · Li Fang · Yunchan Wu · Zhiqiang Wang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 宽禁带半导体 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅器件 高温封装 多层复合膜 封装材料 可靠性测试
语言:

中文摘要

像碳化硅(SiC)这样的宽带隙半导体能够在250°C以上的温度下工作。然而,目前的封装材料无法在175°C以上的温度下工作,这使得碳化硅器件的高温(≥250°C)封装仍然是一项挑战。本文介绍了一种创新的碳化硅功率器件高温封装方案,该方案采用了多层聚对二甲苯HT/Al₂O₃复合薄膜(MPACF)。通过采用交叉堆叠的有机聚对二甲苯HT和无机Al₂O₃多层结构,阻断了外部水分和氧气在高温下到达碳化硅芯片的路径,降低了水分/氧气接触的风险,并避免了与传统有机封装材料相关的热氧化过程。在用硅烷偶联剂进一步修饰封装材料与基板之间的界面后,粘附强度得到了显著提高。MPACF保证了较高的工作温度和较低的热膨胀系数,能在恶劣条件下有效保护碳化硅器件。对封装后的碳化硅器件进行了可靠性测试,包括-55°C至250°C的1500次热冲击循环和250°C下500小时的高温老化测试,MPACF的粘附强度仍能良好保持在5B等级,且器件表现出出色的静态特性和开关性能。

English Abstract

Wide bandgap semiconductors like silicon carbide (SiC) are capable to operate at temperature above 250 °C. However, current encapsulations cannot work at temperature above 175 °C, making high-temperature (≥250 °C) packaging of SiC devices still a challenge. This article introduces an innovative high-temperature packaging scheme for SiC power devices, utilizing a multilayered Parylene HT/Al2O3 composite film (MPACF). By implementing a cross-stacked organic Parylene HT and inorganic Al2O3 multilayer structure, the pathway for external moisture and oxygen to reach the SiC chips at elevated temperatures is blocked, reducing the risk of moisture/oxygen contact and circumventing the thermal oxidation process associated with traditional organic packaging materials. After further modifying the interface between the encapsulation material and the substrate with a silane coupling agent, the adhesion strength has been significantly enhanced. The MPACF ensures a high operational temperature and a low coefficient of thermal expansion, effectively safeguarding the SiC devices in the hashed condition. Reliability tests including 1500 cycles of thermal shock ranging from −55 °C to 250 °C and 500 h high-temperature aging at 250 °C have been carried on the encapsulated SiC devices, the adhesion strength of MPACF is well preserved at 5B and the devices exhibited outstanding static characteristics and switching performance.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项SiC功率器件高温薄膜封装技术具有重要的战略价值。当前我们的光伏逆变器和储能变流器产品大量采用SiC功率器件以提升效率和功率密度,但传统封装材料175°C的温度限制严重制约了SiC器件在250°C以上高温环境的性能发挥,这在高功率密度设计和极端气候条件下尤为突出。

该论文提出的Parylene HT/Al₂O₃多层复合薄膜封装方案,通过有机-无机交叉堆叠结构有效阻隔高温下的水汽和氧气渗透,突破了传统有机封装材料的热氧化瓶颈。对于阳光电源而言,这意味着可以在更高结温下运行SiC器件,从而实现:一是减小散热系统体积,提升逆变器和储能系统的功率密度;二是在沙漠、热带等高温地区保持设备可靠性,拓展产品应用场景;三是通过降低热管理成本优化系统经济性。

技术成熟度方面,该方案已通过1500次-55°C至250°C热冲击和500小时高温老化测试,展现出良好的可靠性基础。硅烷偶联剂界面改性技术进一步增强了封装附着力,这对长期户外运行的新能源设备至关重要。

然而,该技术的产业化应用仍面临挑战:多层薄膜沉积工艺的成本控制、与现有功率模块封装流程的兼容性、以及大规模量产的良率保证等问题需要解决。建议阳光电源与封装材料供应商和SiC器件厂商开展联合开发,评估该技术在1500V及以上高压系统中的应用潜力,抢占下一代高温功率电子封装技术的制高点。