功率器件封裝技術的發展歷程

功率器件封裝技術的發展經歷了多個階段。

最初，功率半導體器件封裝技術采用低壓結晶硅和大功率芯片封裝，QFP（Quad Flat Package）封裝是早期的一種形式。QFP封裝是面積較小、引腳數較多的表面貼裝封裝，能夠承載較高功率，適用于功率密度較高的應用場合。它在當時為功率器件的封裝提供了一種較為有效的解決方案，使得功率器件能夠在一定程度上滿足市場對于小型化和較高功率承載能力的需求。

隨著技術的不斷發展，傳統功率電子封裝主要以釬料連接和引線鍵合等二維平面封裝技術為主。這種技術在很長一段時間內占據主導地位，因為它能夠滿足當時功率器件的基本封裝要求。然而，隨著第三代半導體器件的發展，其在高頻、高壓、高溫下的應用對封裝技術提出了更高的要求，傳統的二維平面封裝技術逐漸難以滿足需求。

在這一發展歷程中，不同類型的功率器件也不斷涌現，并且各自有著不同的封裝需求。例如，功率MOSFET和IGBT等功率器件在熱管理、電氣性能和可靠性等方面的要求不斷推動著封裝技術的改進?？偟膩碚f，功率器件封裝技術從簡單的滿足基本電氣連接和物理保護功能，逐漸向適應更高性能、更復雜工作環境的方向發展。

功率器件封裝技術的最新進展

近年來，功率器件封裝技術取得了多方面的進展。

在材料方面，納米銅燒結技術成為研究熱點。納米銅燒結技術具有獨特的優勢，例如尺度效應、銅氧化物對燒結溫度及擴散的影響等。通過鍵合表面納米化修飾、銅納米焊料的制備與燒結鍵合、銅納米焊料氧化物自還原等多項技術，可以實現更好的連接性能，提高封裝的可靠性和導熱性能等。在無壓低溫連接技術方面也有新的發展，像無壓低溫納米銀燒封裝技術，針對典型Si基功率模塊封裝連接工藝及其可靠性方面有著積極的意義，它有助于提升電力電子器件封裝連接的可靠性，降低連接過程中的風險。

結構設計上，二維平面封裝逐漸向三維集成封裝發展。傳統的二維平面封裝難以滿足第三代半導體器件在高頻、高壓、高溫下的可靠應用需求，而三維集成封裝能夠在更小的空間內實現更高的集成度、更好的電氣性能和散熱性能。例如在碳化硅（SiC）功率器件的封裝中，為了適應其高功率電流密度、高運行結溫以及高運轉頻率的特性，出現了多種創新的封裝結構。如單管翻轉貼片封裝，通過金屬連接件將芯片背部電極翻轉到和正面電極相同平面位置，消除了金屬鍵合線和引腳端子，減小了體積并降低了導通電阻；DBC + PCB混合封裝將DBC工藝和PCB板相結合，利用金屬鍵合線將芯片上表面連接到PCB板，控制換流回路在PCB層間，大大減小了電流回路面積進而減小雜散電感參數；芯片正面平面互連封裝采用平面互連的連接方式來實現芯片正面的連接，可減小電流回路、雜散電感和電阻，還擁有更出色的溫度循環特性以及可靠性；雙面散熱封裝技術通過上下表面均采用DBC板進行焊接，實現上下表面同時散熱，降低了模塊熱阻并減小了回路寄生電感參數。

功率器件封裝技術的未來趨勢

未來，功率器件封裝技術有著多方面的發展趨勢。

在性能優化方面，除了芯片自身損耗的降低，通過封裝技術的優化來提升功率半導體器件的整體性能將變得更加重要。隨著多溝道、多柵等技術的不斷進步，碳化硅器件等功率器件的性能將不斷提升，這就要求封裝技術能夠與之相匹配，進一步提升功率密度、降低損耗、提高開關速度等。例如在電動汽車和新能源應用領域快速發展的背景下，對于IGBT等功率器件的封裝技術要求也會持續提高，以滿足更高的功率轉換效率和可靠性要求。

從封裝結構來看，三維集成封裝有望得到進一步的發展和完善。隨著電子設備的小型化、高性能化發展，三維集成封裝能夠在有限的空間內集成更多的功能，提高器件的性能。同時，對于封裝的散熱性能要求也會不斷提高，需要開發出更高效的散熱技術和材料，以應對功率器件在高功率運行時產生的熱量。

在應用領域方面，隨著人工智能、自動駕駛、數據中心以及光子學等前沿應用的發展，功率器件封裝技術將朝著適應這些新興領域需求的方向發展。例如在汽車芯片領域，隨著汽車電動化、智能化的發展，對于功率器件封裝的可靠性、耐高溫性和高功率密度等方面的要求會越來越高。

不同類型功率器件的封裝特點

不同類型的功率器件具有各自獨特的封裝特點。

1. 功率MOSFET

插入式封裝

• 雙列直插式封裝（DIP）：DIP封裝有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。其派生方式為SDIP（Shrink DIP），針腳密度相對較高。DIP封裝結構形式多樣，如多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封結構式、陶瓷低熔玻璃封裝式等）。它的優點是可以很方便地實現PCB板的穿孔焊接，與主板兼容性好；缺點是封裝面積和厚度較大，引腳在插拔過程中容易損壞，可靠性較差，且受工藝影響引腳一般不超過100個，在電子產業高度集成化過程中逐漸退出歷史舞臺。

• 晶體管外形封裝（TO）：這屬于早期的封裝規格，例如TO - 3P、TO - 247、TO - 92、TO - 92L、TO - 220、TO - 220F、TO - 251等都是插入式封裝設計。TO - 3P/247是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產品耐壓高、抗擊穿能力強。TO - 247一般為非絕緣封裝，常用于大功率應用場景；TO - 220F是全塑封裝，裝到散熱器上時不必加絕緣墊，TO - 220帶金屬片與中間腳相連，裝散熱器時要加絕緣墊，這兩種外觀相似可互換使用；TO - 251主要是為了降低成本和縮小產品體積，應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環境；TO - 92只有低壓MOS管（電流10A以下、耐壓值60V以下）和高壓1N60/65采用，目的是降低成本。

• 插針網格陣列封裝（PGA）：PGA芯片內外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據管腳數目的多少，可以圍成2 - 5圈。安裝時將芯片插入專門的PGA插座即可，具有插拔方便且可靠性高的優勢，能適應更高的頻率。

表面貼裝式

• 晶體管外形（D - PAK）、小外形晶體管（SOT）、小外形封裝（SOP）等：表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB板表面的焊盤上。這種封裝方式相比插入式封裝，在現代電子設備的小型化和高密度電路設計中更具優勢，能夠提高電路板的集成度，并且在生產過程中更適合自動化組裝。

2. IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）

IGBT的封裝需要考慮到其高電壓、大電流的特性。在封裝中要注重散熱性能，因為IGBT在工作過程中會產生大量的熱量，如果散熱不良會影響其性能和可靠性。同時，IGBT的封裝還需要保證良好的電氣絕緣性能，以防止電路中的短路等問題。例如在電動汽車的動力系統中，IGBT模塊需要在高溫、高電壓、高功率的環境下穩定工作，其封裝必須能夠承受這些惡劣的工作條件并且保證長時間的可靠性。在一些模塊封裝中，會采用特殊的散熱結構和絕緣材料來滿足IGBT的工作要求。

功率器件封裝技術的創新方向

1. 材料創新

• 新型連接材料：銀燒結日益成為SiC芯片粘接的首選方法。銀燒結技術相比傳統的連接材料，能夠提供更好的導熱性能和電氣連接性能，在高溫環境下也能保持較好的穩定性，有助于提高功率器件在高功率運行時的可靠性。

• 高性能基板材料：Si3N4和AlN AMB基板是SiC的首選技術，其中Si3N4更受關注。這些基板材料具有高導熱性、高絕緣性等特點，能夠有效地將功率器件產生的熱量傳導出去，并且能夠滿足功率器件在高電壓下的絕緣要求，有助于提高功率器件的整體性能。

2. 結構創新

• 低雜散電感封裝結構：為了適應功率器件的快速開關特性，減小傳統封裝中雜散電感參數較大的問題，多種低雜散電感封裝結構被開發出來。如單管翻轉貼片封裝、DBC + PCB混合封裝、芯片正面平面互連封裝等，這些封裝結構通過改變芯片的連接方式、布局等手段，有效地減小了雜散電感，降低了在開關過程中的電壓過沖、損耗以及電磁干擾等問題。

• 雙面散熱封裝結構：雙面散熱封裝結構可以實現功率器件上下表面同時散熱，提高了散熱效率，降低了模塊熱阻。例如在一些SiC模塊封裝中采用上下表面均為DBC板的焊接方式，能夠在有限的空間內提高功率密度，并且通過合理的芯片布局和結構設計，還可以減小回路寄生電感參數。

3. 多功能集成封裝

隨著功率器件在各種復雜系統中的應用，多功能集成封裝成為創新方向之一。例如在一個封裝模塊中集成多種功能，如同時實現功率轉換、信號處理、保護功能等。這不僅可以提高系統的集成度，減少電路板的面積，還能夠提高整個系統的可靠性和性能。通過將不同功能的電路或器件集成在一個封裝內，可以減少信號傳輸的延遲和干擾，提高系統的響應速度和穩定性。

國內外功率器件封裝技術對比

1. 技術水平

• 國外：在功率器件封裝技術方面，國外一些發達國家和地區在技術研發和創新上處于領先地位。例如在低寄生電感封裝技術方面，國外較早地開展了相關研究，開發出了一些先進的低雜散電感封裝結構，如阿肯色大學團隊提出的單管翻轉貼片封裝技術。在高溫封裝材料和工藝方面，國外也有較為深入的研究，能夠提供適用于高溫環境下的芯片連接材料和制作工藝。在多功能集成封裝方面，國外企業能夠將多種功能集成在一個封裝模塊中，并且保證較高的性能和可靠性。

• 國內：國內在功率器件封裝技術方面近年來取得了長足的發展。在一些領域已經能夠實現國產化替代，例如長晶科技向市場推出了晶圓級封裝MOSFET，成為國內首家打破壟斷、完成國產替代的高科技企業。在低雜散電感封裝方面，國內也開展了相關研究，如株洲中車時代電氣、天津大學等團隊對雙面散熱封裝模塊進行了熱、電氣、可靠性等多方面的研究。然而，與國外相比，國內在某些高端封裝技術方面仍然存在一定的差距，例如在一些先進的三維集成封裝技術和高性能封裝材料的研發上，還需要進一步追趕。

2. 可靠性和一致性

• 國外：國外品牌在可靠性和一致性方面具有一定的優勢。在汽車、高可靠性工業等領域，國外品牌的功率器件封裝產品被廣泛應用。這是因為國外在封裝工藝的控制、原材料的質量把控等方面有著較為成熟的體系，能夠保證產品在長時間、復雜環境下的穩定運行。例如在碳化硅功率器件的封裝中，國外能夠較好地解決傳統封裝雜散電感參數較大、器件高溫工作時封裝可靠性降低以及模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求等問題。

• 國內：國內產品在可靠性和一致性方面相對較弱。在一些高端應用領域，如汽車高可靠性工業方面，國內產品的應用相對較少，部分原因是擔心產品的穩定性和可靠性問題。不過，隨著國內技術水平的不斷提高和工藝的不斷完善，這種差距正在逐漸縮小。

3. 應用領域側重

• 國外：國外在高端應用領域，如航空航天、高端汽車電子等領域，對功率器件封裝技術的要求較高，并且在這些領域占據著較大的市場份額。他們能夠提供滿足這些領域嚴格要求的封裝產品，例如在航空航天領域，對于功率器件封裝的抗輻射、高可靠性等方面有著特殊的要求，國外企業能夠通過先進的封裝技術來滿足這些需求。

• 國內：國內在中低端應用領域，如消費電子等領域具有一定的優勢，主要體現在價格優勢和供貨優勢等方面。國內的功率器件封裝產品在消費電子領域得到了廣泛的應用，能夠滿足消費電子對于成本和供貨及時性的要求。同時，隨著國內技術的不斷提升，在高端應用領域也逐漸開始嶄露頭角，如在新能源汽車領域，國內企業也在積極研發和應用先進的功率器件封裝技術。

半導體器件清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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