功率器件封裝技術(shù)的發(fā)展歷程

功率器件封裝技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。

最初，功率半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)采用低壓結(jié)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(shù)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(yīng)用場合。它在當(dāng)時(shí)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(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)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(shù)為主。這種技術(shù)在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗軌驖M足當(dāng)時(shí)功率器件的基本封裝要求。然而，隨著第三代半導(dǎo)體器件的發(fā)展，其在高頻、高壓、高溫下的應(yīng)用對封裝技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的二維平面封裝技術(shù)逐漸難以滿足需求。

在這一發(fā)展歷程中，不同類型的功率器件也不斷涌現(xiàn)，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(dòng)著封裝技術(shù)的改進(jìn)?？偟膩碚f，功率器件封裝技術(shù)從簡單的滿足基本電氣連接和物理保護(hù)功能，逐漸向適應(yīng)更高性能、更復(fù)雜工作環(huán)境的方向發(fā)展。

功率器件封裝技術(shù)的最新進(jìn)展

近年來，功率器件封裝技術(shù)取得了多方面的進(jìn)展。

在材料方面，納米銅燒結(jié)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。納米銅燒結(jié)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如尺度效應(yīng)、銅氧化物對燒結(jié)溫度及擴(kuò)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(jié)鍵合、銅納米焊料氧化物自還原等多項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更好的連接性能，提高封裝的可靠性和導(dǎo)熱性能等。在無壓低溫連接技術(shù)方面也有新的發(fā)展，像無壓低溫納米銀燒封裝技術(shù)，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(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，二維平面封裝逐漸向三維集成封裝發(fā)展。傳統(tǒng)的二維平面封裝難以滿足第三代半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、高溫下的可靠應(yīng)用需求，而三維集成封裝能夠在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(yīng)其高功率電流密度、高運(yùn)行結(jié)溫以及高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的特性，出現(xiàn)了多種創(chuàng)新的封裝結(jié)構(gòu)。如單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝，通過金屬連接件將芯片背部電極翻轉(zhuǎn)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(dǎo)通電阻；DBC + PCB混合封裝將DBC工藝和PCB板相結(jié)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(jìn)而減小雜散電感參數(shù)；芯片正面平面互連封裝采用平面互連的連接方式來實(shí)現(xiàn)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(huán)特性以及可靠性；雙面散熱封裝技術(shù)通過上下表面均采用DBC板進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)上下表面同時(shí)散熱，降低了模塊熱阻并減小了回路寄生電感參數(shù)。

功率器件封裝技術(shù)的未來趨勢

未來，功率器件封裝技術(shù)有著多方面的發(fā)展趨勢。

在性能優(yōu)化方面，除了芯片自身損耗的降低，通過封裝技術(shù)的優(yōu)化來提升功率半導(dǎo)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(shù)的不斷進(jìn)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(shù)能夠與之相匹配，進(jìn)一步提升功率密度、降低損耗、提高開關(guān)速度等。例如在電動(dòng)汽車和新能源應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展的背景下，對于IGBT等功率器件的封裝技術(shù)要求也會(huì)持續(xù)提高，以滿足更高的功率轉(zhuǎn)換效率和可靠性要求。

從封裝結(jié)構(gòu)來看，三維集成封裝有望得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。隨著電子設(shè)備的小型化、高性能化發(fā)展，三維集成封裝能夠在有限的空間內(nèi)集成更多的功能，提高器件的性能。同時(shí)，對于封裝的散熱性能要求也會(huì)不斷提高，需要開發(fā)出更高效的散熱技術(shù)和材料，以應(yīng)對功率器件在高功率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，隨著人工智能、自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)中心以及光子學(xué)等前沿應(yīng)用的發(fā)展，功率器件封裝技術(shù)將朝著適應(yīng)這些新興領(lǐng)域需求的方向發(fā)展。例如在汽車芯片領(lǐng)域，隨著汽車電動(dòng)化、智能化的發(fā)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(huì)越來越高。

不同類型功率器件的封裝特點(diǎn)

不同類型的功率器件具有各自獨(dú)特的封裝特點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式、陶瓷低熔玻璃封裝式等）。它的優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地實(shí)現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，與主板兼容性好；缺點(diǎn)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(gè)，在電子產(chǎn)業(yè)高度集成化過程中逐漸退出歷史舞臺(tái)。

• 晶體管外形封裝（TO）：這屬于早期的封裝規(guī)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(shè)計(jì)。TO - 3P/247是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chǎn)品耐壓高、抗擊穿能力強(qiáng)。TO - 247一般為非絕緣封裝，常用于大功率應(yīng)用場景；TO - 220F是全塑封裝，裝到散熱器上時(shí)不必加絕緣墊，TO - 220帶金屬片與中間腳相連，裝散熱器時(shí)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(chǎn)品體積，應(yīng)用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)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(wǎng)格陣列封裝（PGA）：PGA芯片內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍成2 - 5圈。安裝時(shí)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(yōu)勢，能適應(yīng)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(xiàn)代電子設(shè)備的小型化和高密度電路設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢，能夠提高電路板的集成度，并且在生產(chǎn)過程中更適合自動(dòng)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?yàn)镮GBT在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不良會(huì)影響其性能和可靠性。同時(shí)，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(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，IGBT模塊需要在高溫、高電壓、高功率的環(huán)境下穩(wěn)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(shí)間的可靠性。在一些模塊封裝中，會(huì)采用特殊的散熱結(jié)構(gòu)和絕緣材料來滿足IGBT的工作要求。

功率器件封裝技術(shù)的創(chuàng)新方向

1. 材料創(chuàng)新

• 新型連接材料：銀燒結(jié)日益成為SiC芯片粘接的首選方法。銀燒結(jié)技術(shù)相比傳統(tǒng)的連接材料，能夠提供更好的導(dǎo)熱性能和電氣連接性能，在高溫環(huán)境下也能保持較好的穩(wěn)定性，有助于提高功率器件在高功率運(yùn)行時(shí)的可靠性。

• 高性能基板材料：Si3N4和AlN AMB基板是SiC的首選技術(shù)，其中Si3N4更受關(guān)注。這些基板材料具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性等特點(diǎn)，能夠有效地將功率器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新

• 低雜散電感封裝結(jié)構(gòu)：為了適應(yīng)功率器件的快速開關(guān)特性，減小傳統(tǒng)封裝中雜散電感參數(shù)較大的問題，多種低雜散電感封裝結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來。如單管翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)：雙面散熱封裝結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功率器件上下表面同時(shí)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(nèi)提高功率密度，并且通過合理的芯片布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以減小回路寄生電感參數(shù)。

3. 多功能集成封裝

隨著功率器件在各種復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用，多功能集成封裝成為創(chuàng)新方向之一。例如在一個(gè)封裝模塊中集成多種功能，如同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換、信號處理、保護(hù)功能等。這不僅可以提高系統(tǒng)的集成度，減少電路板的面積，還能夠提高整個(gè)系統(tǒng)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(gè)封裝內(nèi)，可以減少信號傳輸?shù)难舆t和干擾，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外功率器件封裝技術(shù)對比

1. 技術(shù)水平

• 國外：在功率器件封裝技術(shù)方面，國外一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新上處于領(lǐng)先地位。例如在低寄生電感封裝技術(shù)方面，國外較早地開展了相關(guān)研究，開發(fā)出了一些先進(jìn)的低雜散電感封裝結(jié)構(gòu)，如阿肯色大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術(shù)。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(huán)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(yè)能夠?qū)⒍喾N功能集成在一個(gè)封裝模塊中，并且保證較高的性能和可靠性。

• 國內(nèi)：國內(nèi)在功率器件封裝技術(shù)方面近年來取得了長足的發(fā)展。在一些領(lǐng)域已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)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(nèi)首家打破壟斷、完成國產(chǎn)替代的高科技企業(yè)。在低雜散電感封裝方面，國內(nèi)也開展了相關(guān)研究，如株洲中車時(shí)代電氣、天津大學(xué)等團(tuán)隊(duì)對雙面散熱封裝模塊進(jìn)行了熱、電氣、可靠性等多方面的研究。然而，與國外相比，國內(nèi)在某些高端封裝技術(shù)方面仍然存在一定的差距，例如在一些先進(jìn)的三維集成封裝技術(shù)和高性能封裝材料的研發(fā)上，還需要進(jìn)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(yōu)勢。在汽車、高可靠性工業(yè)等領(lǐng)域，國外品牌的功率器件封裝產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)閲庠诜庋b工藝的控制、原材料的質(zhì)量把控等方面有著較為成熟的體系，能夠保證產(chǎn)品在長時(shí)間、復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)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(tǒng)封裝雜散電感參數(shù)較大、器件高溫工作時(shí)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(nèi)：國內(nèi)產(chǎn)品在可靠性和一致性方面相對較弱。在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車高可靠性工業(yè)方面，國內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用相對較少，部分原因是擔(dān)心產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性問題。不過，隨著國內(nèi)技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域側(cè)重

• 國外：國外在高端應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天、高端汽車電子等領(lǐng)域，對功率器件封裝技術(shù)的要求較高，并且在這些領(lǐng)域占據(jù)著較大的市場份額。他們能夠提供滿足這些領(lǐng)域嚴(yán)格要求的封裝產(chǎn)品，例如在航空航天領(lǐng)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(yè)能夠通過先進(jìn)的封裝技術(shù)來滿足這些需求。

• 國內(nèi)：國內(nèi)在中低端應(yīng)用領(lǐng)域，如消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在價(jià)格優(yōu)勢和供貨優(yōu)勢等方面。國內(nèi)的功率器件封裝產(chǎn)品在消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，能夠滿足消費(fèi)電子對于成本和供貨及時(shí)性的要求。同時(shí)，隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷提升，在高端應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸開始嶄露頭角，如在新能源汽車領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的功率器件封裝技術(shù)。

半導(dǎo)體器件清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)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(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)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(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)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(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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