碳化硅（SiC）功率器件作为未来的功率器件引起了极大的关注，它们非常有吸引力。因为它们具有高电压、低导通电阻和短开关时间，SiC功率器件可以在高结温下工作。如今正在开发一种高温碳化硅陶瓷基板功率模块，该模块可以在高于200℃的结温下运行，而硅器件由于SiC的高温特征而无法在该温度下运行，高温功率模块需要更小的散热器。结果，可以使诸如逆变器之类的设备比传统设备小得多。

碳化硅晶圆

功率模块通常具有将功率半导体器件接合在金属化陶瓷基板上的结构，陶瓷基板的另一面通过导热硅脂连接到散热器上进行冷却。最近，为了降低功率模块的热阻，已开发出一种将陶瓷基板直接粘合在散热器上的结构，而不是使用导热硅脂。本文中主要提出的功率模块还具有将陶瓷基板直接接合到散热器以降低热阻的结构。

就电气性能而言，SiC器件的开关时间非常短，这会产生很大的浪涌电压。为了防止这种浪涌，选择了将Sic金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）夹在两个陶瓷基板之间的结构。通过采用这种结构，可以降低模块的电感。

碳化硅陶瓷基板

另一方面，为了在高温下工作，使用Au-Ge共晶焊料。在所提出模块的制造过程中，焊接温度远高于传统功率模块。这种高温工艺可能会导致因模块元件变形而导致的接合缺陷，这种变形是由模块中使用的材料的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的。此外，陶瓷基板和散热器之间的CTE不匹配会导致模块过度翘曲，特别是如果散热器由AI或Cu制成，与陶瓷基板相比具有非常大的CTE。

电源模块在高温下工作也会导致模块的翘曲位移过大，这可能会降低长期可靠性。为了确保模块的长期可靠性，该模块设计为在200℃以上运行，需要从-40℃到250℃的热循环。此外，了解翘曲在热循环期间的表现非常重要。

陶瓷金属化

一、结构和制造工艺

1、模块结构

图1中显示了所提出模块的结构，该模块包括了两个臂电路，对应于逆变器的一个支路。为了降低模块的电感，选择了将碳化硅MOSFET夹在两个金属化陶瓷基板之间的结构，而不是传统的铝线键合。SiC器件的漏极焊盘焊接到陶瓷基板，陶瓷基板的另一侧直接焊接到散热器。然而，为简单起见图1中所示的模块具有基板而不是散热器。

以下部分讨论的模块也有一个底板，源极和栅极焊盘通过AI凸块连接到陶瓷基板进行电气连接。在陶瓷基板的另一面，可以安装无源元件。例如，可以安装电容器和电阻器以构成缓冲电路。金属块用于电连接两个基板，模块中使用的所有焊料都是Au-Ge共晶焊料，其熔化温度为356℃。考虑到与SiC器件和AI凸块在垂直方向上的CTE失配，金属块由Cu-W制成。陶瓷基板具有将上下Cu布线图案电连接的通孔，为了形成通孔等复杂结构，陶瓷基板使用氧化铝。另一面，氮化硅（Si3N4）用于陶瓷基板是因为它比氧化铝具有更大的韧性和更高的热导率。