倾佳电子制造中焊接工艺的深度物理机制分析与基本半导体碳化硅功率模块封装技术研究报告

倾佳电子(Changer Tech)是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向,分销代理BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管,SiC碳化硅MOSFET功率模块,SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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摘要

倾佳电子旨在全面剖析电子制造领域三大核心焊接工艺——波峰焊、回流焊及超声焊——的物理冶金学机理、工艺控制关键点及失效模式。报告独特的视角在于将这些基础工艺理论与第三代半导体产业的具体实践相结合,以深圳基本半导体股份有限公司(Basic Semiconductor)的碳化硅(SiC)功率模块产品线为核心案例,深入探讨先进封装互连技术如何释放宽禁带半导体的高温、高频与高压潜能。研究通过对基本半导体Pcore™系列(E1B、E2B、E3B)、工业级标准封装(34mm、62mm)及车规级模块(HPD、DCM)的深度解构,揭示了活性金属钎焊(AMB)陶瓷基板、高温焊料体系、Press-Fit压接技术以及低杂散电感互连设计在提升功率模块热循环寿命与电气性能中的决定性作用。分析表明,随着功率半导体向更高结温(Tj​≥175∘C)演进,传统焊接工艺正面临严峻挑战,促使封装技术向真空回流、银烧结及超声铜键合等方向加速迭代。

第一章 引言:第三代半导体封装的工艺挑战

1.1 宽禁带半导体的物理特性与封装需求




碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料,凭借其宽禁带(3.26 eV)、高临界击穿场强(2-4 MV/cm)和高热导率(4.9 W/cm-K)等优异物理特性,正在重塑新能源汽车、智能电网及轨道交通等领域的功率转换架构1。然而,芯片性能的提升对封装工艺提出了前所未有的挑战:

  1. 高温服役能力:SiC器件理论工作温度可达600°C,目前商业化模块结温已普遍提升至175°C甚至200°C。这要求内部互连材料(焊料、键合线)必须具备极高的熔点和抗蠕变能力,传统SnAgCu(SAC)焊料在高温下的同系温度(Homologous Temperature)过高,极易发生疲劳失效。
  2. 高频开关特性:SiC MOSFET的开关速度极快(dv/dt>50V/ns),这使得封装杂散电感(Stray Inductance)成为限制性能的瓶颈。互连工艺必须支持低感结构设计,如叠层母排和短路径键合1。
  3. 高功率密度:随着芯片尺寸缩小和电流密度增加,散热需求急剧上升。封装工艺必须实现极低的结-壳热阻(RthJC​),这对焊接界面的空洞率控制提出了苛刻要求。

1.2 基本半导体的技术路线概览

基本半导体作为中国碳化硅行业的领军企业,其产品线覆盖了从分立器件到复杂功率模块的全谱系。其技术路线图清晰地反映了封装工艺的演进逻辑:从早期的标准工业封装(如To-247)向采用Si3​N4​ AMB基板、高温焊料及先进互连技术的Pcore™系列模块发展。分析其产品手册可以发现,基本半导体在解决“热-机-电”耦合挑战方面,通过工艺创新实现了显著的性能突破,例如BMF240R12E2G3模块在高温下的RDS(on)​稳定性优于国际竞品,这直接得益于其封装焊接工艺的优化。

第二章 焊接技术的物理冶金学基础

在深入探讨具体工艺前,必须建立坚实的物理冶金学理论框架,以理解焊接接头在微观层面的形成机制。


2.1 润湿动力学与杨氏方程

焊接的核心在于液态钎料在固态母材表面的铺展与润湿。这一过程由热力学平衡驱动,遵循杨氏方程(Young's Equation):

γsv​=γsl​+γlv​cosθ

其中,γsv​、γsl​、γlv​分别代表固-气、固-液、液-气界面的表面张力,θ为接触角。在功率模块封装中,无论是DBC(Direct Bonded Copper)基板的铜层还是芯片背面的金属化层(通常为Ti/Ni/Ag),其表面往往存在氧化膜,导致γsv​降低,阻碍润湿。助焊剂(Flux)或还原性气氛(如甲酸、氢气)的作用即在于去除氧化物,提高γsv​,从而实现θ<90∘的良好润湿。

2.2 金属间化合物(IMC)的生长机理

焊接并非简单的机械粘合,而是通过界面反应形成金属间化合物(IMC)来实现冶金结合。

  • 界面反应:在Sn基焊料与Cu基板的界面,锡原子与铜原子发生互扩散,快速生成η相(Cu6​Sn5​)。
  • 固态老化:在随后的高温服役过程中(如SiC模块长期工作在150°C),在η相与铜之间会进一步生长出ϵ相(Cu3​Sn)。
  • 柯肯达尔效应:由于Cu原子向焊料侧的扩散速率快于Sn原子向铜侧的扩散速率,导致在Cu3​Sn与Cu界面处形成微观空洞(Kirkendall Voids)。这些空洞是裂纹萌生的源头,严重削弱接头的剪切强度和导热性能。

基本半导体工艺策略分析:

基本半导体在Pcore™2系列模块介绍中特别强调了“高温焊料引入”。这不仅仅是为了提高熔点,更是为了抑制IMC的过度生长。高温焊料通常含有锑等元素,能细化晶粒并抑制Cu-Sn反应速率,从而显著提升模块在功率循环(Power Cycling)下的可靠性。

第三章 波峰焊工艺深度分析与应用

3.1 波峰焊工艺原理与热动力学

波峰焊(Wave Soldering)是利用泵浦将熔融液态焊料喷流成波峰,使预先装有元器件的电路板通过波峰实现焊接的传统工艺。尽管在表面贴装技术(SMT)普及后其应用范围有所缩减,但在大功率模块的系统级组装中,波峰焊依然占据重要地位。

3.1.1 助焊剂涂覆与预热阶段

助焊剂必须均匀覆盖待焊区域,以去除氧化膜并防止高温下的二次氧化。预热区(Preheat Zone)将组件加热至100-130°C,其作用包括:

  1. 溶剂挥发:防止进入波峰时因溶剂急剧气化产生“炸锡”现象。
  2. 热冲击缓冲:对于陶瓷基板或SiC功率模块,预热至关重要。陶瓷材料(如Al2​O3​或Si3​N4​)是脆性材料,若直接接触260°C的熔融锡波,巨大的热应力梯度可能导致基板隐裂(Micro-cracks)。

3.1.2 双波峰技术动力学

现代波峰焊机通常配置双波峰:

  • 湍流波(Chip Wave) :具有较高的垂直动量,用于冲刷贴片元件底部的气体死角,防止漏焊。
  • 层流波(Lambda Wave) :流速平稳,用于修整焊点形态,消除桥连(Bridging)。

3.2 功率电子中的波峰焊挑战与对策

在将基本半导体的功率模块(如Pcore™2 62mm系列)集成到客户的逆变器PCB上时,波峰焊面临特殊挑战。

3.2.1 大热容量引脚的冷焊风险

62mm模块的功率端子通常为厚铜排,热容量极大。当其接触波峰时,会瞬间吸收大量热量,导致局部焊料温度骤降至固相线以下,形成冷焊(Cold Solder)。

  • 解决方案:必须优化预热曲线,确保端子温度在接触波峰前达到120°C以上;同时可能需要延长波峰接触时间(Dwell Time)或采用选择性波峰焊(Selective Soldering)工艺,对特定引脚进行定点加热焊接。

3.2.2 陶瓷基板的热应力管理

基本半导体在工业模块中广泛采用Si3​N4​ AMB基板。相比Al2​O3​,Si3​N4​不仅热导率高(90 W/mK vs 24 W/mK),更重要的是其抗弯强度高达700 MPa,断裂韧性为6.0 MPam​1。这使得模块能够承受波峰焊过程中因引脚受热膨胀传递给基板的机械应力,从而避免了传统DBC基板常见的焊后开裂问题。

3.3 基本半导体的Press-Fit压接技术

为了规避波峰焊带来的热风险,基本半导体在Pcore™2 E1B/E2B系列中推出了Press-Fit(压接)选项1

3.3.1 压接机理与可靠性

Press-Fit技术利用具有弹性结构的针脚(如鱼眼孔设计),在机械压力下压入PCB的金属化孔中。针脚发生弹性形变,与孔壁形成气密性的冷焊连接。

  • 无热冲击:彻底消除了波峰焊的高温过程,保护了SiC芯片和内部封装材料。
  • 高可靠性:压接点的接触电阻极低(通常<0.1 mΩ),且在振动和热循环下表现出优异的稳定性(FIT值极低)。基本半导体的数据显示,其E2B模块支持Press-Fit,这不仅提升了生产效率(省去焊接工序),更大幅提升了系统级可靠性。

第四章 回流焊工艺深度分析与应用

4.1 回流焊工艺原理与温度曲线管控

回流焊(Reflow Soldering)是功率模块制造中最核心的工艺,用于实现SiC芯片与DBC基板(Die Attach)、以及DBC基板与散热底板(Substrate Attach)的连接。

4.1.1 四阶段温度曲线的物理意义

  1. 升温区(Ramp-up) :以1-3°C/s的速率加热,激活助焊剂,同时避免溶剂爆沸和锡膏坍塌。
  2. 活性区/保温区(Soak) :在150-200°C保持60-120秒,使助焊剂充分去除氧化物,并使大尺寸模块(如62mm模块)的整体温度趋于均匀,减少热变形。
  3. 回流区(Reflow) :温度迅速升至峰值(通常高于液相线20-40°C)。在此阶段,焊料熔化,润湿界面,IMC开始生长。对于SiC模块,由于使用了高温焊料,峰值温度可能高达300°C以上,这对炉体的温控精度提出了极高要求。
  4. 冷却区(Cooling) :快速冷却(>2°C/s)有助于细化焊料晶粒,阻止IMC过度生长,从而提高接头的抗疲劳性能。

4.2 真空回流焊与空洞率控制

在功率模块中,焊层空洞(Void)是导致热阻升高和局部热点(Hot Spot)的罪魁祸首。对于高功率密度的SiC芯片,即便是微小的空洞也可能导致结温Tj​超过安全极限。

4.2.1 真空回流机理

基本半导体的制造产线采用了先进的真空回流焊工艺1。在焊料处于熔融状态时,回流炉腔体被抽成真空(通常<10 mbar)。

  • 气泡移除:根据理想气体状态方程,外界压力降低,焊料内部气泡体积膨胀,浮力增大,从而更容易逸出表面。
  • 工艺指标:通过真空回流,基本半导体将大面积焊接(如DBC到底板)的空洞率控制在1%甚至0.5%以下,远优于IPC标准的5%。

4.3 活性金属钎焊(AMB)工艺解析

基本半导体的高端模块(E2B, 62mm等)全面采用了Si3​N4​ AMB基板。




4.3.1 AMB与DBC的区别

  • DBC (Direct Bonded Copper) :利用Cu-O共晶液相在高温下将铜箔直接键合到陶瓷上。结合力较弱,且热循环下易分层。
  • AMB (Active Metal Brazing) :在钎料中加入活性元素(如Ti、Zr),这些元素能与惰性的陶瓷(如Si3​N4​)表面反应生成反应层(如TiN),从而实现铜箔与陶瓷的化学冶金结合。

4.3.2 AMB在SiC封装中的价值

SiC器件工作温度高,开关速度快,对封装的寄生参数和热管理要求极高。

  • 热机械可靠性:1数据显示,Si3​N4​ AMB基板在经历1000次温度冲击(-40°C至150°C)后,铜箔与陶瓷之间无分层,而传统的Al2​O3​ DBC则出现了剥离。这是因为AMB形成的化学键结合强度远高于DBC的共晶键。
  • 厚铜承载能力:AMB工艺允许使用更厚的铜层(>0.5mm),这不仅增加了热容,平抑了瞬态热冲击,还降低了电气回路的电阻和电感,非常适合基本半导体Pcore™6系列这种数百安培的大电流模块。

第五章 超声焊工艺深度分析与应用

5.1 超声金属焊接原理

超声焊(Ultrasonic Welding)是一种固相连接技术,利用高频振动能量(通常20kHz-60kHz)在静压力下破坏金属表面的氧化层,通过塑性变形实现原子间的键合。由于过程中无液相产生,避免了铸造组织和脆性化合物的生成,是功率半导体内部互连(Wire Bonding)的主流工艺。

5.2 铝线键合(Al Wire Bonding)

在基本半导体的大部分工业模块(如Pcore™2 E1B/E2B)中,铝线键合仍是连接芯片源极(Source)与DBC铜层的主要方式1。

5.2.1 粗铝线工艺

为了承载SiC模块高达数百安培的电流(如BMF540R12KA3的540A),通常采用直径300-500μm的粗铝线,并进行多根并联。

  • 失效模式:在功率循环中,铝线与芯片表面的热膨胀系数失配会导致键合点根部产生剪切应力,最终引发键合线剥离(Lift-off)或根部断裂(Heel Crack)。
  • 工艺优化:基本半导体通过优化键合参数(超声功率、时间、压力)和线弧几何形状(Loop Shape),显著延缓了疲劳裂纹的萌生。

5.3 铜线与铜带键合(Cu Wire/Ribbon Bonding)

随着SiC性能的极致挖掘,铝线的电导率(38 MS/m)和热导率(237 W/mK)逐渐成为瓶颈。

5.3.1 铜互连的优势

铜的电导率(58 MS/m)和热导率(401 W/mK)均远优于铝。

  • 可靠性提升:铜的屈服强度高,抗热机械疲劳能力强。实验表明,铜线键合的功率循环寿命可比铝线提高5-10倍。
  • 基本半导体的应用:在车规级Pcore™6 (HPD)等高性能模块中,为了匹配高功率密度和耐高温需求,铜线或铜带键合成为必然选择。这有助于降低模块内部电阻(Rinternal​),从而降低导通损耗。

5.3.2 铜端子超声焊接

除了芯片互连,基本半导体在模块的功率端子(Terminal)连接上也采用了超声焊接技术。相比传统的锡焊端子,超声焊接的铜-铜接头接触电阻极低,且不存在焊料老化问题,能在全生命周期内保持稳定的电气连接性能。




第六章 基本半导体(Basic Semiconductor)SiC功率模块产品线深度剖析

本章将结合前述工艺理论,对基本半导体的具体产品进行“虚拟拆解”分析,揭示工艺如何决定产品性能。

6.1 工业级标杆:Pcore™2 E2B 系列 (BMF240R12E2G3)

该模块是基本半导体针对大功率充电桩、APF及高端焊机推出的核心产品,规格为1200V / 240A,导通电阻5.5mΩ。

6.1.1 封装工艺与热性能

  • 基板选择:明确采用**Si3​N4​ AMB**基板。相比普通DBC,这种基板在回流焊过程中能承受更大的热应力,允许使用更高熔点的焊料体系。
  • 高温焊料:资料提到“高温焊料引入”,这意味着在芯片贴装(Die Attach)环节,可能使用了SnSb或AuSn等合金。这种工艺选择直接提升了模块的Tj,max​耐受力,使其在175°C结温下仍能长期稳定工作,且RDS(on)​漂移极小(<3%)。
  • NTC集成:模块内部集成了NTC温度传感器,通常通过回流焊贴装在DBC基板上,紧邻SiC芯片,以实现精准的温度监控和过热保护。

6.1.2 互连技术与电气特性

  • 低杂散电感:E2B模块通过优化的DBC布局和键合线设计,实现了极低的杂散电感。这对于SiC MOSFET的高频开关至关重要,能有效降低关断电压尖峰(VDS_peak​)和开关损耗(Eoff​)。
  • 内置SBD优势:虽然这是芯片层面的设计,但封装工艺必须确保SBD与MOSFET之间的热耦合良好。通过共用AMB基板和优化的焊层质量,SBD产生的热量能迅速导出,防止热失控。

6.2 大功率旗舰:62mm 系列 (BMF540R12KA3)

该模块规格高达1200V / 540A,面向储能和重型工业应用。

6.2.1 大面积焊接的挑战与对策

62mm模块拥有大面积的铜底板。

  • 工艺难点:在大面积真空回流焊中,控制空洞率极具挑战。如果空洞率过高,540A电流产生的巨大焦耳热将无法散出。
  • 基本半导体方案:利用AMB基板的高强度和真空回流工艺的除泡能力,基本半导体成功实现了极低的热阻。资料显示该模块采用了铜基板(Cu Baseplate),相比AlSiC底板,铜的热容更大,瞬态热阻更低,但也带来了更大的CTE失配风险。Si3​N4​ AMB的高韧性正是为了抵消这一风险,防止基板炸裂。

6.2.2 超低电感设计 (<14nH)

如此低的电感值表明,该模块内部不仅依赖键合线,很可能采用了叠层母排(Laminated Busbar) 结构,并通过超声焊接与DBC连接。这种结构大幅减小了电流回路面积,从而降低了感抗,使得模块在数百安培电流下关断时,电压过冲仍处于安全范围内。

6.3 车规级先锋:Pcore™6 (HPD) 与 Pcore™1 (TPAK)

虽然资料1主要聚焦工业模块,但公司介绍1提及了丰富的车规级产品线。

6.3.1 银烧结技术的应用

在车规级应用中,功率密度要求极高。HPD(High Power Density)模块通常采用银烧结(Silver Sintering) 技术替代传统焊料。

  • 原理:利用纳米银粉在低温(~250°C)加压下烧结成致密银层,熔点高达961°C。
  • 性能飞跃:烧结银层的热导率(>200 W/mK)是SAC焊料(~50 W/mK)的4倍以上,电导率也高出一个数量级。这使得HPD模块的功率循环寿命提升了数倍,完全满足电动汽车主驱逆变器15年/30万公里的寿命要求。

6.3.2 转模封装(Transfer Molding)

与工业模块的灌胶工艺不同,车规级TPAK采用转模注塑封装。

  • 工艺特点:环氧树脂模塑料(EMC)在高压下注入模具,包裹芯片和引脚。
  • 互连要求:注塑过程的冲刷力很大,要求内部互连(如Copper Clip)必须通过高强度的超声焊或激光焊牢固固定,不能使用脆弱的铝线。

第七章 关键材料与工艺参数的量化对比分析

为了更直观地展示基本半导体在材料与工艺选择上的优势,本章对关键参数进行量化对比。

7.1 陶瓷基板性能对比:Si3​N4​ AMB 的统治力

下表基于1数据整理,清晰展示了为何基本半导体高端模块全线转向Si3​N4​。

特性参数Al2​O3​ (氧化铝)AlN (氮化铝)Si3​N4​ (氮化硅)工艺影响深度分析热导率 (W/mK)2417090虽然低于AlN,但通过减薄基板(AMB工艺允许),热阻差异已大幅缩小。热膨胀系数 (ppm/K)6.84.72.5与SiC (4 ppm/K) 最为匹配,显著降低了芯片-基板焊接层的热应力。抗弯强度 (N/mm2)450350700核心优势:在AMB高温钎焊及后续回流焊中,极不易发生脆性断裂。断裂韧性 (Mpam​)4.23.46.0决定了模块在极端冷热冲击(Thermal Shock)下的生存能力。剥离强度 (N/mm)≥4-≥10AMB形成的强冶金结合,确保了在大电流冲击下铜箔不剥离。可靠性测试结果1000次冲击后分层1000次冲击后分层保持良好结合这一数据直接验证了基本半导体选择Si3​N4​ AMB的正确性1。

7.2 互连工艺对比:Press-Fit vs Soldering

基本半导体E2B模块提供的Press-Fit选项,反映了对系统级可靠性的深刻理解1。

维度Soldering (焊接)Press-Fit (压接)基本半导体策略解读热过程需经历260°C波峰焊无热过程 (Cold Weld)压接完全避免了模块二次受热,保护了内部芯片和AMB基板。接触电阻< 50 μΩ< 100 μΩ虽然焊接略低,但压接已完全满足几百安培电流传输需求。可靠性 (FIT)较好,受焊点疲劳限制极高 (10倍于焊接)压接点的弹性储能使其在振动环境下更为可靠,适合车载和恶劣工业环境。组装效率低 (需助焊、清洗)极高 (自动化压入)符合现代工业4.0产线的高通量制造需求。可维护性差 (不可拆卸) (可拔出更换)降低了客户系统维护成本。第八章 竞品对比与性能实测分析

8.1 静态参数对比分析

根据1提供的实测数据,将基本半导体的BMF240R12E2G3与国际一线品牌W(Wolfspeed)和I(Infineon)的同类产品进行对比。

参数条件 (Tj​=150∘C)BASIC BMF240R12E2G3Competitor WCompetitor I分析BVDSS​ (V)ID​=100μA165315671456基本半导体模块耐压裕度更高,这得益于更优化的边缘终端设计和封装绝缘工艺。VGS(th)​ (V)ID​=78mA3.4332.2373.179较高的阈值电压显著降低了高温下的误导通风险,这与封装的低寄生电感设计密切相关(减少米勒效应干扰)。RDS(on)​ (mΩ)ID​=150A8.5087.6718.254在高温下阻值保持稳定,说明其“高温焊料+AMB”工艺有效抑制了热阻上升。

8.2 动态开关损耗对比

在双脉冲测试中(800V, 400A, Rg​=3.3Ω),基本半导体模块展现出卓越的开关性能1。

Etotal​ (总损耗) :基本半导体 (25.24 mJ) < Competitor W (26.42 mJ)。

Eoff​ (关断损耗) :基本半导体 (6.76 mJ) 显著低于 Competitor W (10.87 mJ) 和 Competitor I (8.85 mJ)。

  • 深度归因:极低的Eoff​直接证明了基本半导体封装工艺在降低杂散电感方面的成功。更低的电感意味着关断时电流下降速率(di/dt)更快,且电压过冲更小,从而大幅削减了关断拖尾损耗。

第九章 结论与未来展望

9.1 结论

本报告通过对波峰焊、回流焊、超声焊三大工艺的物理机制分析,并深度结合基本半导体的SiC功率模块产品实践,得出以下核心结论:

  1. 工艺决定性能:SiC器件的优异性能(高温、高频)必须通过匹配的封装工艺才能落地。基本半导体通过引入**Si3​N4​ AMB基板**、高温焊料体系真空回流焊工艺,成功打破了传统封装的热与机械瓶颈。
  2. 可靠性是核心竞争力:数据表明,采用AMB基板和Press-Fit压接技术的模块,在热循环和功率循环寿命上远超传统DBC+焊接模块。基本半导体的E2B和62mm系列正是这一理念的集大成者。
  3. 低感封装至关重要:实测的低开关损耗(特别是Eoff​)验证了模块内部互连工艺(超声焊、键合线优化)在降低杂散电感方面的有效性,这是发挥SiC高频优势的关键。

9.2 展望

深圳市倾佳电子有限公司(简称“倾佳电子”)是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者:

倾佳电子成立于2018年,总部位于深圳福田区,定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商,业务聚焦三大方向:

新能源:覆盖光伏、储能、充电基础设施;

交通电动化:服务新能源汽车三电系统(电控、电池、电机)及高压平台升级;

数字化转型:支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。

公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命,响应国家“双碳”政策(碳达峰、碳中和),致力于降低电力电子系统能耗。

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展望未来,随着储能变流器PCS,固态变压器SST和风电变流器,高压直流输电,可再生能源对功率密度需求的无止境追求,SiC封装工艺将继续向以下方向演进:

  • 银烧结全面替代锡焊:不仅是芯片,底板连接也将普及烧结工艺,以实现全银无铅化。
  • Cu Clip与DLB技术:取代引线键合,进一步降低电阻和电感,提升浪涌电流耐受力。
  • 智能集成封装:在模块内部直接集成驱动芯片(如基本半导体的驱动芯片)和状态监测传感器,实现真正的IPM(智能功率模块)。

综上所述,基本半导体在封装工艺上的深厚积累和持续创新,使其SiC模块在激烈的全球竞争中占据了技术制高点,为高性能电力电子系统的构建提供了坚实的基石。

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