車規(guī)級碳化硅（SiC）功率模塊因其高效率、高功率密度和優(yōu)異的高溫性能，正在成為電動汽車和新能源領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。下面我將從關(guān)鍵材料、封裝流程和市場應(yīng)用三個方面為你進行分析。

車規(guī)級功率SiC模塊的材料、封裝流程及核心市場應(yīng)用分析

摘要

車規(guī)級碳化硅（SiC）功率模塊憑借其高開關(guān)頻率、低損耗、高結(jié)溫工作能力和優(yōu)異的熱性能，正在逐步取代傳統(tǒng)硅基IGBT，成為電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)、充電基礎(chǔ)設(shè)施等高要求應(yīng)用場景的首選。其采用先進的封裝材料（如納米銀燒結(jié)膏、AMB基板）和創(chuàng)新的互連技術(shù)（如雙面散熱、Cu-Clip綁定），實現(xiàn)了更低的寄生電感（可達3nH以下）和更高的可靠性，滿足了汽車電子對效率和功率密度的嚴苛需求。

1 關(guān)鍵材料分析

車規(guī)級SiC功率模塊的性能和可靠性在很大程度上依賴于其構(gòu)成材料。

1.1 半導(dǎo)體芯片與基板

• SiC MOSFET芯片：相比傳統(tǒng)硅基IGBT，SiC芯片具有更高的禁帶寬度（~3.2eV）、更高的臨界擊穿電場和更高的熱導(dǎo)率。這使得SiC器件能在更高溫度、更高電壓和更高頻率下工作。芯片厚度通常在180μm左右（如Tesla Model 3中采用的芯片）。

• 陶瓷基板：用于電氣絕緣和散熱。常見類型包括：

• 氮化硅（Si?N?）AMB：活性金屬釬焊（AMB）基板，可靠性最高，熱性能和機械性能優(yōu)異，常用于高性能模塊。

• 氧化鋁（Al?O?）：成本較低，但熱導(dǎo)率和機械強度相對較差。

• 氮化鋁（AlN）：熱導(dǎo)率高，但成本相對較高。
  一些先進的模塊也開始采用氮化鋁（AlN）陶瓷基板，因其與芯片及底板更好的CTE（熱膨脹系數(shù)）匹配。

1.2 互連與連接材料

• 芯片貼裝材料：傳統(tǒng)焊錫膏正逐漸被納米銀燒結(jié)膏取代。納米銀燒結(jié)具有5倍以上的導(dǎo)熱性能和10倍以上的可靠性，能顯著降低熱阻并提高模塊的壽命。芯片焊接空洞率能控制在1%左右。

• 互聯(lián)材料：

• 鋁/銅鍵合線：目前仍是最主流的互連技術(shù)之一，但其引入的寄生電感和可靠性問題在高頻應(yīng)用中面臨挑戰(zhàn)。

• Cu-Clip（銅夾）綁定：取代鍵合線，散熱性和通流能力都大大增強，提升了模塊整體可靠性。

• Lead Frame（引線框架）：采用銅材料，厚度約0.3mm，用于實現(xiàn)電氣互聯(lián)和引出電極。

1.3 外殼與封裝材料

• 封裝外殼：傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂模注料仍在使用，但PPS（聚苯硫醚） 等高性能工程塑料應(yīng)用增多，因其耐溫特性好、機械強度高。

• 灌封膠：采用高耐熱樹脂，以對應(yīng)芯片的高工作溫度范圍（如175℃）。

• 散熱材料：基板底部常采用燒結(jié)銀技術(shù)與散熱器互聯(lián)，省去了導(dǎo)熱絕緣墊片，降低了熱阻。

2 封裝工藝流程

車規(guī)級SiC功率模塊的封裝不僅要求高性能，還需滿足汽車級的高可靠性和自動化生產(chǎn)需求。

2.1 主要封裝流程

典型的封裝流程主要包括以下步驟，但會因具體設(shè)計和工藝而異：

1. 基板制備：首先根據(jù)電路設(shè)計和芯片布局刻蝕DBC（直接鍵合銅）或AMB基板上的銅層。

2. 芯片貼裝：通過真空回流焊接或銀燒結(jié)工藝將SiC芯片精確地貼裝到基板上。銀燒結(jié)需要在高溫高壓下進行，以確保低空洞率和良好的熱機械性能。

3. 互連工藝：

• 引線鍵合：采用超聲鍵合技術(shù)將鋁線或銅線連接到芯片的柵極和源極焊盤。

• Clip Bonding：使用預(yù)成型的銅夾進行互連，通常通過回流焊完成，以實現(xiàn)更大的電流傳導(dǎo)能力和更好的散熱。

4. DBC堆疊與連接（對于創(chuàng)新封裝）：對于采用多堆疊DBC單元的設(shè)計，需要將頂層DBC焊接到底層DBC上，并使用連接器或三維端子在不同DBC單元之間實現(xiàn)電氣連接。

5. 端子焊接：將功率端子和信號端子焊接到相應(yīng)的基板或引線框架上。

6. 外殼與塑封：采用轉(zhuǎn)移注塑成型工藝將模塊用環(huán)氧樹脂或PPS塑料封裝起來，以實現(xiàn)環(huán)境保護、機械保護和電氣絕緣。對于雙面散熱模塊，注塑過程需要獨特的轉(zhuǎn)模注塑工藝。

7. 測試與老化：進行高壓測試、功能測試和高溫老化測試，以確保模塊的可靠性和耐久性，滿足車規(guī)標準（如AQG 324）。

2.2 先進封裝技術(shù)

為了充分發(fā)揮SiC的性能，許多創(chuàng)新封裝技術(shù)被開發(fā)出來：

• 雙面散熱（DTS）：芯片上下表面均采用導(dǎo)熱路徑，提升30%散熱能力，有效降低系統(tǒng)成本。

• 多堆疊DBC單元：將整個模塊基板分割成多個更小的DBC單元進行堆疊，利用互感對消效應(yīng)減小寄生電感（可降低74.8%），并提高設(shè)計自由度和生產(chǎn)良率。

• 無引線互連：采用Lead Frame或Cu-Clip取代大部分鍵合線，減小寄生參數(shù)，提高可靠性和功率密度。

• 塑封技術(shù)：全塑封模塊能更好地保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。采用納米銀燒結(jié)、粗引線鍵合等工藝可顯著提高可靠性。

3 核心市場應(yīng)用分析

車規(guī)級SiC功率模塊的市場增長迅猛，其主要驅(qū)動力來自于新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

3.1 市場規(guī)模與增長

• 根據(jù)QYResearch調(diào)研，2024年全球車規(guī)級SiC功率模塊市場銷售額達到了26.46億美元，預(yù)計2031年市場規(guī)模將增長至117.6億美元，2025-2031期間年復(fù)合增長率（CAGR）高達24.1%。

• 汽車已成為碳化硅功率器件最大的下游市場，2023年全球新能源汽車總銷量達1465.3萬輛，其中中國銷量占比64.8%（949.5萬輛），連續(xù)8年位居全球第一。

3.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

車規(guī)級SiC模塊主要應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域：

3.3 競爭格局

全球車規(guī)級SiC功率模塊市場目前由幾家國際巨頭主導(dǎo)，但中國廠商正在快速崛起。

• 國際主要廠商：意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）（特斯拉主要供應(yīng)商）、英飛凌（Infineon）、Wolfspeed、羅姆（Rohm）、安森美（Onsemi） 等。前三大廠商占據(jù)了全球約70%的市場份額。

• 中國主要廠商：比亞迪半導(dǎo)體、芯聯(lián)集成、廣東芯聚能、基本半導(dǎo)體、中車時代電氣、斯達半導(dǎo)等。按收入計，2024年中國市場前七大廠商占據(jù)了約94%的份額。比亞迪在其漢EV車型上搭載了自主研發(fā)的SiC模塊。

3.4 市場驅(qū)動因素與挑戰(zhàn)

• 驅(qū)動因素：

• 新能源汽車800V高壓平臺的推廣：對1200V及以上的SiC模塊需求激增。

• 追求續(xù)航里程和快充效率：SiC模塊能有效提升系統(tǒng)效率，緩解里程焦慮，支持大電流快充。

• 成本下降：隨著襯底技術(shù)成熟和產(chǎn)能擴張，SiC器件成本正以每年10%-15%的速度下降，加速其普及。

• 面臨挑戰(zhàn)：

• 制造成本仍較高：SiC材料的制備和器件生產(chǎn)成本仍高于硅器件。

• 技術(shù)成熟度：如溝槽型SiC MOSFET的專利壁壘較高，材料缺陷和長期可靠性數(shù)據(jù)仍需積累。

• 供應(yīng)鏈韌性：全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美、歐、日三足鼎立，中國在襯底等關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍需加強自主可控。

4 未來發(fā)展趨勢

1. 電壓等級升級：隨著800V甚至更高電壓平臺成為主流，1700V的SiC模塊（如工研院開發(fā)的型號）將在充電樁等領(lǐng)域獲得更廣泛應(yīng)用。

2. 封裝技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新：追求更低的寄生電感（<3nH）、更低的熱阻和更高的功率密度。三維封裝、集成化封裝（如將驅(qū)動、傳感、控制集成于一體）是重要方向。

3. 成本優(yōu)化與國產(chǎn)替代：通過材料創(chuàng)新、工藝優(yōu)化和規(guī)模效應(yīng)持續(xù)降本。中國廠商將逐步突破技術(shù)壁壘，提升在全球供應(yīng)鏈中的地位和市場份額。

4. 應(yīng)用領(lǐng)域拓展：除新能源汽車外，SiC功率模塊還將在光伏逆變、工業(yè)控制、醫(yī)療器械等領(lǐng)域展現(xiàn)更大潛力。

5 總結(jié)

車規(guī)級SiC功率模塊通過采用先進的寬禁帶半導(dǎo)體芯片、高性能的封裝材料（如納米銀、AMB基板）和創(chuàng)新的互連與封裝技術(shù)（如雙面散熱、多堆疊DBC、Cu-Clip），成功實現(xiàn)了高效率、高功率密度、高可靠性的設(shè)計目標，成為推動電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

其市場應(yīng)用以新能源汽車主驅(qū)逆變器為核心，并覆蓋OBC、DC-DC及充電樁等領(lǐng)域，市場增長迅速且未來可期。雖然目前產(chǎn)業(yè)仍面臨成本、技術(shù)和供應(yīng)鏈方面的挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的持續(xù)下降，SiC功率模塊必將在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并呈現(xiàn)出電壓等級升級、封裝集成化更高、國產(chǎn)替代加速等未來趨勢。

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