摘要：碳化硅（SiC）功率器件凭借其低导通电阻、高耐压能力和快速开关特性，在电力电子领域展现出卓越性能。然而，基于SiC的功率电子模块和变换器在实际运行中面临一大难题：热机械应力（thermomechanical stress）。

将液态金属（LM）封装集成至SiC半桥功率模块，是解决长期存在技术挑战的一项创新方案。

SiC功率器件的优势与封装挑战

碳化硅（SiC）功率器件凭借其低导通电阻、高耐压能力和快速开关特性，在电力电子领域展现出卓越性能。然而，基于SiC的功率电子模块和变换器在实际运行中面临一大难题：热机械应力（thermomechanical stress）。

传统的封装方法，特别是基于金线键合的互连方式，不仅带来显著的寄生电感和电阻损耗，限制了器件性能，还因为材料间热膨胀系数（CTE）不匹配与SiC本身高杨氏模量（Young's modulus）的特性，引发严重热机械应力，进而导致器件开裂、层间剥离甚至提前失效。

为突破这一瓶颈，研究人员开发出一种创新的液态金属封装结构（LM-based SiC封装设计），将其集成至半桥功率模块中，并配置了集成门极驱动器与水冷系统。

液态金属封装的创新点

目前的封装创新，如在器件顶部焊接铜夹（copper clip），可提高电流承载能力、减少寄生电感、改善散热，已广泛用于新一代电动汽车（EV）功率模块。此外，双面冷却模块（double-sided cooling）也因其多路径热流能力，在汽车应用中越来越受欢迎。

PCB与直接键合铜（DBC）基板的混合模块也在推广，它结合了PCB的电气集成优势与DBC的散热优势，从而实现低电感、低热阻设计。尽管上述方案在热管理和电气性能上取得了进步，但热机械应力问题依旧突出。

本文所提出设计的核心创新，在于其液态金属封装结构采用浮置芯片结构（floating die）与液态金属流体互连。该结构（见图1）能够有效解耦热应变，大幅降低热应力与运行时的翘曲变形（warpage）。

液态金属作为流体界面材料，不仅维持良好的热与电连接性，还能适应不同材料间热膨胀差异，从而提升系统可靠性、优化热管理并延长模块寿命。

经实验验证，这种LM封装结构在多种运行条件下均能保持良好的电性能，显示其在下一代功率电子中的应用前景。

LM封装半桥模块的结构细节

该模块将两个LM封装的SiC器件集成至一个半桥模块中，配套门极驱动器和液冷铜散热器。其中铜材优于铝，因其导热性更强且不易被液态金属腐蚀。

每颗SiC MOSFET芯片（采用意法半导体的SCT116N120G3DXAG，1200 V/130 A）嵌入在一个蚀刻于AMB（Active Metal Brazed）基板的空腔内，悬浮在液态金属层上。为防止液态金属短路芯片，外围设计有环形环氧/硅胶绝缘结构。

顶层互连通过柔性PCB（FPCB）实现，使用聚酰亚胺（polyimide）作为介电材料，其低杨氏模量有助于吸收热循环过程中的机械应变，而高介电强度则保障电气可靠性。

热机械应力对比：LM封装 vs 焊接封装

为验证LM封装在热机械性能上的优势，研究人员对比了LM封装与传统焊接封装模块，通过热力耦合有限元仿真（FEA）分析在每颗器件功耗为100 W条件下的热应力表现。

结果表明，LM封装显著降低了热应力。这归因于LM层可有效缓冲AMB基板的热应变，其界面作用可防止应力向PCB传递，从而降低疲劳损伤和材料老化风险。

此外，LM封装还能显著减少工作期间的器件翘曲变形，从而维持电气与热性能的稳定性，提高整体变换器寿命。

模块采用紧凑型堆叠结构，门极驱动PCB置于主功率PCB上方，通过FPCB上的Kelvin引脚扩展连接。LM封装器件通过力矩控制螺丝夹紧在主PCB与散热器之间，确保热界面接触稳定。水冷系统可通过快接头便捷接入，增强其在汽车与工业领域的实用性。

实验验证与性能测试

为验证其电气性能，研究人员采用双脉冲测试（DPT）与同步降压变换器连续运行测试。

DPT测试条件为750 V直流母线与36 µH空心电感，结果表明模块具备高频率开关能力，通态转换速率分别达到40 V/ns与15 A/ns。关断过程中，电压上升速率为25 V/ns，过冲抑制在18 V以内，得益于FPCB最小化的门极回路电感。

在100 kHz、400 V输入下连续运行，模块表现出良好的稳定性，电感峰值电流约为10 A。即便在更低开关频率（40 kHz）与更高电流（25 A）下，尽管电感接近饱和，系统依旧维持稳定，无明显过冲与振铃，LM封装表现出优异的热应力缓解能力。

总结：面向未来的高可靠性封装方案

将液态金属封装技术集成至SiC半桥功率模块，代表了功率电子领域的一项关键性突破。该结构通过解耦热应变，在不牺牲电气和热性能的前提下，有效应对长期存在的可靠性问题。

此LM封装模块可在高温高电流环境下稳定运行，极适用于电动汽车与工业变换器等对可靠性与性能要求极高的应用场景。

本研究内容源自剑桥大学工程系团队在 APEC 2025 会议上发表的最新成果，论文详细介绍了液态金属（Liquid Metal）封装结构在提升 SiC 功率模块可靠性方面的设计方法、实验测试与仿真验证。

论文标题：
A SiC Half‑bridge Power Module Based on Liquid Metal Packaging for High Performance and Low Thermal Stress

作者团队：
Wei Mu, Ameer Janabi, Borong Hu, Luke Shillaber, Teng Long
Department of Engineering, University of Cambridge

️ 会议与发表信息：
发表会议：IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) 2025
DOI：10.1109/APEC48143.2025.10977198
发布日期：2025年3月

原文链接：

如需深入了解液态金属封装的背景原理与热机械仿真细节，亦可参考该团队发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》的扩展期刊论文：

补充阅读推荐：
Liquid Metal Fluidic Connection and Floating Die Structure for Ultralow Thermomechanical Stress of SiC Power Electronics Packaging
IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 39, No. 7, July 2024

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来源：宽禁带联盟