一种基于低温无压纳米铜烧结技术的高性能、高功率双面冷却碳化硅（SiC）功率模块

《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》：A Novel High-Performance, High-Power Double-Sided Cooling SiC Power Module Based on Low-Temperature Pressureless Nano-Cu Sintering

本研究采用纳米铜烧结浆料和甲酸辅助低温无压烧结工艺，成功制备了1200V/600A高功率双面冷却SiC MOSFET模块。实验表明，该模块孔隙率仅14.08%，剪切强度达42.5MPa（传统焊料两倍），开关损耗降低20%，功率密度提升至6.70×10^4 kW/L，寄生电感减少40.3%，热阻降低54.5%，验证了纳米铜烧结工艺在宽禁带器件中的应用可行性。

　　

摘要：

由于其低成本、优异的电气和热性能、高可靠性以及抗电迁移（EM）能力，纳米铜烧结浆料被视为下一代宽禁带（WBG）半导体应用的芯片互连材料。然而，目前尚无关于纳米铜烧结技术在高性能双面冷却（DSC）碳化硅（SiC）功率模块中应用的实验报道。本研究通过展示基于纳米铜烧结技术的高性能DSC SiC MOSFET模块的设计、制造和性能，填补了这一空白。利用自制的铜浆料和甲酸辅助的低温无压烧结工艺，制造出了一个1200 V/600 A的DSC功率模块。在甲酸气氛中于250°C的温度下烧结后，该铜材料的孔隙率仅为14.08%，剪切强度达到42.5 MPa，是传统焊料的两倍。此外，该模块具有更出色的开关性能，开关损耗比同类商用模块降低了20%以上。其功率密度达到6.70 × 10^4 kW/L，而总寄生电感仅为3.94 nH，比商用模块减少了40.3%。此外，致密的铜烧结结构和低界面热阻显著提升了模块的热性能，结到壳的热阻低至0.035 K/W，比商用模块降低了54.5%。这些研究结果证明了纳米铜烧结技术在高性能电子器件中的应用可行性。

引言

由于碳化硅（SiC）和其他宽禁带（WBG）半导体材料具有更高的击穿电压、功率密度、开关频率和导热性等优异特性，它们已成为下一代电力电子产品的关键材料。SiC功率模块广泛应用于电动汽车（EVs）、光伏发电和风力发电逆变器等各种电力电子系统中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。在相同的额定电压和电流下，SiC器件的尺寸可以比硅（Si）器件大幅减小。因此，采用SiC器件可以显著提高电力电子产品的功率密度。同时，它还能优化系统性能，从而降低成本并简化机械装配过程。