SiC （碳化硅） 材料作为第三代半导体材料，具有高结温、高临界击穿电压、高热导率等特点，因此，SiC 材料有利于实现功率模块的小型化并提高功率模块的高温性能。基于此，同时为了实现模块的自主可控化，将 Si 模块中的 Si 二极管用自主SiC 二极管进行替代，制作 SiC 混合功率模块。主要介绍混合功率模块封装工艺的关键工序：回流、铝线键合、点胶、灌胶。
1 引言
SiC 是自第 一 代 元 素 半 导 体 材 料 Si 和 第二 代 化合物 半导体材料（砷化镓、磷化镓、磷化 铟 ）之后 发 展起来的第三代半导体材料。 采用一、二代传统的半导体材料制作的集成 电 路 与 器 件 无 法 在 高 温 环 境 下 持续工作，且输出功率低，受高频、高腐蚀等条件的影响严重； 与之相比，SiC宽禁带半导体材料具有宽禁带、高临界击穿电压 、高热导 率 、高载 流 子 饱 和 漂 移 速 度等特点，相应开发的半导体器件及模块在高温下具有良好的转换特性和工作能力，能有效提高转换效率和工作温度，降低对冷却系统的要求，在航空航天、混合动力装置、高效光伏/风电系统、油气钻探、核电设备等领域需在 300~500 ℃工作的高温电路和器件中具有重要的应用价值[1]。 同等功率下，相比 Si 器件，SiC器件体积更小，更容易实现功率模块的小型化及轻量化。
为了提高现有 Si 器件产品的性能，同时实现元器件的自主可控化，将原模块中的 Si 二极管用自主 SiC二极管进行替代，制作 SiC 混合功率模块。本文主要介绍 SiC 混合功率模块的封装工艺关键工序：回流、铝线键合、点胶、灌胶。
2 模块结构
铜底板主要用于模块工作时的散热；焊接层为锡膏或者锡片焊接，用于底板和 DBC（双面覆铜陶 瓷基板）以及 DBC 和芯片之间的连接；DBC 实现设计所需电路结构；键合铝线实现各部件的电路连接。
模块外部结构主要为外壳体和端子，外壳通过点胶工艺和底板相连，端子 一 般 注 塑 到 壳 体 内 部 ，通过键合线与内部电路相连或者直接焊接到 DBC。 模块内部需要灌注硅胶， 其作用是防腐防潮保护内部电路，同时又对内部各部件进行高压隔离。
3 主要工艺流程
模块封装工艺主要包括回流焊接、 铝线键合、点胶、灌胶工艺。
3.1 回流焊接
一次回 流 焊 接 主 要 实 现 芯 片 和 DBC 的 连接 ，二次回流焊接主要实现 DBC 和底板之间的连接。
随着全球环保意识的增强，越来越多的组织或公司禁止铅在电子工业中的应用，因此需要选择一种无铅焊料替代原来普遍使用的锡铅焊料。
在功率模块生产工艺中，目前一般使用 SnAg（锡银）、SnAgCu（锡银铜）合金焊料替代锡铅焊料。 SnAg焊料成分比为 Sn:Ag=96.5:3.5，熔点为 221 ℃；SnAgCu焊料成分比 Sn:Ag:Cu=96.5:3:0.5，熔点为 217 ℃[2]。 由于 SnAg 焊料熔点相对较高， 为了防止二次回流焊接时 SnAg 焊料熔化，因此 SnAg 焊料一般用于一次回流焊接， 用于芯片和 DBC 之间的连接；SnAgCu 一般用于二次回流焊接，用于 DBC 和底板之间的连接。
焊接过程主要分为以下 4 个阶段[2]。
（1） 预热区：使各部件达到热平衡状态，焊料中的溶剂、气体蒸发掉，同时焊料软化 、塌落 、覆盖 焊 接 区域，该过程要保证升温 缓 慢 均 匀 ，溶剂 的 挥 发 较 为 温和，对元器件的热冲击 尽 可 能 小 ，升温 过 快 会 造 成 对
元器件的损伤。
（2） 保温区：各部件得到充分的预热，以防突然进入焊接高温区而损坏元器件。
（3） 焊接区：温度迅速上升使焊料达到熔化状态，液态焊料在焊接区域润湿、扩散。
（4） 冷却区：冷却速度要比预热速率略高，使焊料凝固，完成回流焊接。
焊接完成之后，需要对 焊 接 质 量 进 行 检 验 ，检验项目为空洞率， 检验手段为X 光透射和超声扫描，X光透射效率较高，但是由 于 功 率 限 制 ，其只 能 穿 透 较薄物体（如 DBC），难以穿透较厚的物体 （如铜底板）；而超声扫描可以进行较厚物体的扫描，但是工作效率较低。 因此，对于一次回流焊接后芯片底部的空洞率测试采用 X 光透射， 对于二次回流焊接后 DBC 底部的空洞率测试采用超声扫描。 空洞率一般要求单个空洞率不超过 1%，总空洞率不超过 3%[3]。
3.2 铝线键合
键合是利用超声换能器将电能转换为超声振动，超声振动在通 过 装 置 于 换 能 器 上 的 焊 接 工 具 传 递 到两个需焊接的物体表面，在一定压力下两个物体表面相互摩擦形成原子间的熔合而达到连接的目的[4]。
键合一般分为金线、铜线、铝线键合，功率模块生产中广泛应用的是粗铝线（102~508 μm）键合，因为现工艺 技术条件下，铝线键 合 能 做 到 的 线 径 较 大 ，承载电流能力较强。
铝线键合表面一般是铝、铜、镍、金、银，所以对于一些不易键合 的 材 料 可 以 通 过 表 面 处 理 附 上 一 定 厚度的可键合金属使其获得可键合性。 研究表面，具有面心立方结构的金属有较好的可键合性能，这种结构除顶角上有原子外， 在晶胞立方体 6 个面的中心处还有 6 个原子，故称为面心立方，常见金属中，铝、铜、镍、金、银、γ- 铁都属于这种结构[5]。
键合的焊接影响深度约为 1%线径， 因此对于一些需要电镀或者化学镀的键合表面，其镀层厚度必须大于这个 1%线径厚度， 因此铝线键合工艺对表面金属层的厚度要求一般大于 5 μm。
功率模块生产中，粗铝线键合工艺最常用的线是99.99%纯铝线；但在 一 些 特 殊 的 场 合 中 ，比如 一 些 难以键合的界面，会选择 99.999%（五九）纯铝线进行键合，这种非常软的线有助 于 键 合 工 艺 的 实 现 ，但是 这种铝线的长期可靠性不高。 研究表明，99.99%纯铝线中含 有 一 些 微 量 颗 粒 可 以 抑 制 铝 的 晶 界 扩 张 ， 而99.999%纯铝线没有这些微量颗粒， 这会导致铝的晶界在温度循环过程中持续扩张，如果晶界扩张到接近于线径的尺寸，会导致铝线断裂，所以这种 99.999%的高纯度铝线不 适 宜 用 于 高 可 靠 性 或 者 军 工 级 别 的 功率模块生产[5]。
铝线中一般会根据使用要求，掺杂一些微量金属元素来改善铝线的性能：硅、镁（提高机械强度、疲劳强度），铬、镍（提高耐腐蚀性）。
键合点强度一般用拉力测试和推力测试来确定，该测试依靠推拉力测试机完成。
3.3 点胶
点胶工艺主要实现底板与壳体之间的粘接，而且需保证底板与壳体之间的紧密连接，防止后续的灌胶工艺过程中漏胶。
密封胶采用 RTV-1 胶，该胶是一种单组份室温硫化硅橡胶，由基础聚合物（二甲基硅氧烷）、交联剂、催化剂、填料及添加剂等配制而成[6]。 该胶在常温下接触空气中的湿气后即可固化成弹性体，一般表干时间为3~4 h。 该胶拥有独特的分子结构，其在苛刻工作环境下表现出优异的电气绝缘性能、化学稳定性、弹性、耐湿性、对基材的粘附性 、低离 子 杂 质 以 及 与 加 工 工 艺的兼容特性，对多种金属和非金属材料有良好的粘接性， 为电子电器产品的长期寿命提供了可靠的保障，能在-60~200℃温度范围内长期使用[6]。
3.4 灌胶
灌胶主要为了提高模块工作时的电气绝缘性能，且保护元器件免于暴露于环境，避免受到灰尘、湿气、机械冲击等的危害。
灌胶采用一种 1:1 混合的双组份硅凝胶， 该硅凝胶混合后常温下即可固化，实际生产中一般通过加热来提高其固 化 速 度 。 固化 后 的 硅 凝 胶 拥 有 介 电 性 能好、导热系数高、固化收缩率小等特点，有效降低模块内部的应力[7]。
硅凝胶在操作过程中，所有的接触表面必须是干净的并且没有会阻止硅凝胶固化的污染物， 如含硫、胺的材料、有机金属的 化 合 物 ，特别 是 有 机 锡 的 化 合物。 双组份硅凝胶中一种组份为交联剂，另一组份包含铂催化剂。 两组份混合后铂催化剂会促使交联剂产生凝胶化作用，因此操作过程中避免胶体与含有铂的工具或者容器接触，防止胶体提前固化[7]。
胶体混合完成后，需进行 真 空 除 气 泡 工 艺 ，气泡的存在会影响硅凝胶的性能。 胶体混合完成后，固化反应时间可以在广泛的范围内调整，通过添加催化剂或抑制剂来适应特殊应用的处理需求[7]。
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