功率器件封装技术的发展历程

功率器件封装技术的发展经历了多个阶段。

最初，功率半导体器件封装技术采用低压结晶硅和大功率芯片封装，QFP（Quad Flat Package）封装是早期的一种形式。QFP封装是面积较小、引脚数较多的表面贴装封装，能够承载较高功率，适用于功率密度较高的应用场合。它在当时为功率器件的封装提供了一种较为有效的解决方案，使得功率器件能够在一定程度上满足市场对于小型化和较高功率承载能力的需求。

随着技术的不断发展，传统功率电子封装主要以钎料连接和引线键合等二维平面封装技术为主。这种技术在很长一段时间内占据主导地位，因为它能够满足当时功率器件的基本封装要求。然而，随着第三代半导体器件的发展，其在高频、高压、高温下的应用对封装技术提出了更高的要求，传统的二维平面封装技术逐渐难以满足需求。

在这一发展历程中，不同类型的功率器件也不断涌现，并且各自有着不同的封装需求。例如，功率MOSFET和IGBT等功率器件在热管理、电气性能和可靠性等方面的要求不断推动着封装技术的改进。总的来说，功率器件封装技术从简单的满足基本电气连接和物理保护功能，逐渐向适应更高性能、更复杂工作环境的方向发展。

功率器件封装技术的最新进展

近年来，功率器件封装技术取得了多方面的进展。

在材料方面，纳米铜烧结技术成为研究热点。纳米铜烧结技术具有独特的优势，例如尺度效应、铜氧化物对烧结温度及扩散的影响等。通过键合表面纳米化修饰、铜纳米焊料的制备与烧结键合、铜纳米焊料氧化物自还原等多项技术，可以实现更好的连接性能，提高封装的可靠性和导热性能等。在无压低温连接技术方面也有新的发展，像无压低温纳米银烧封装技术，针对典型Si基功率模块封装连接工艺及其可靠性方面有着积极的意义，它有助于提升电力电子器件封装连接的可靠性，降低连接过程中的风险。

结构设计上，二维平面封装逐渐向三维集成封装发展。传统的二维平面封装难以满足第三代半导体器件在高频、高压、高温下的可靠应用需求，而三维集成封装能够在更小的空间内实现更高的集成度、更好的电气性能和散热性能。例如在碳化硅（SiC）功率器件的封装中，为了适应其高功率电流密度、高运行结温以及高运转频率的特性，出现了多种创新的封装结构。如单管翻转贴片封装，通过金属连接件将芯片背部电极翻转到和正面电极相同平面位置，消除了金属键合线和引脚端子，减小了体积并降低了导通电阻；DBC + PCB混合封装将DBC工艺和PCB板相结合，利用金属键合线将芯片上表面连接到PCB板，控制换流回路在PCB层间，大大减小了电流回路面积进而减小杂散电感参数；芯片正面平面互连封装采用平面互连的连接方式来实现芯片正面的连接，可减小电流回路、杂散电感和电阻，还拥有更出色的温度循环特性以及可靠性；双面散热封装技术通过上下表面均采用DBC板进行焊接，实现上下表面同时散热，降低了模块热阻并减小了回路寄生电感参数。

功率器件封装技术的未来趋势

未来，功率器件封装技术有着多方面的发展趋势。

在性能优化方面，除了芯片自身损耗的降低，通过封装技术的优化来提升功率半导体器件的整体性能将变得更加重要。随着多沟道、多栅等技术的不断进步，碳化硅器件等功率器件的性能将不断提升，这就要求封装技术能够与之相匹配，进一步提升功率密度、降低损耗、提高开关速度等。例如在电动汽车和新能源应用领域快速发展的背景下，对于IGBT等功率器件的封装技术要求也会持续提高，以满足更高的功率转换效率和可靠性要求。

从封装结构来看，三维集成封装有望得到进一步的发展和完善。随着电子设备的小型化、高性能化发展，三维集成封装能够在有限的空间内集成更多的功能，提高器件的性能。同时，对于封装的散热性能要求也会不断提高，需要开发出更高效的散热技术和材料，以应对功率器件在高功率运行时产生的热量。

在应用领域方面，随着人工智能、自动驾驶、数据中心以及光子学等前沿应用的发展，功率器件封装技术将朝着适应这些新兴领域需求的方向发展。例如在汽车芯片领域，随着汽车电动化、智能化的发展，对于功率器件封装的可靠性、耐高温性和高功率密度等方面的要求会越来越高。

不同类型功率器件的封装特点

不同类型的功率器件具有各自独特的封装特点。

1. 功率MOSFET

插入式封装

• 双列直插式封装（DIP）：DIP封装有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。其派生方式为SDIP（Shrink DIP），针脚密度相对较高。DIP封装结构形式多样，如多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式等）。它的优点是可以很方便地实现PCB板的穿孔焊接，与主板兼容性好；缺点是封装面积和厚度较大，引脚在插拔过程中容易损坏，可靠性较差，且受工艺影响引脚一般不超过100个，在电子产业高度集成化过程中逐渐退出历史舞台。

• 晶体管外形封装（TO）：这属于早期的封装规格，例如TO - 3P、TO - 247、TO - 92、TO - 92L、TO - 220、TO - 220F、TO - 251等都是插入式封装设计。TO - 3P/247是中高压、大电流MOS管常用的封装形式，产品耐压高、抗击穿能力强。TO - 247一般为非绝缘封装，常用于大功率应用场景；TO - 220F是全塑封装，装到散热器上时不必加绝缘垫，TO - 220带金属片与中间脚相连，装散热器时要加绝缘垫，这两种外观相似可互换使用；TO - 251主要是为了降低成本和缩小产品体积，应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境；TO - 92只有低压MOS管（电流10A以下、耐压值60V以下）和高压1N60/65采用，目的是降低成本。

• 插针网格阵列封装（PGA）：PGA芯片内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成2 - 5圈。安装时将芯片插入专门的PGA插座即可，具有插拔方便且可靠性高的优势，能适应更高的频率。

表面贴装式

• 晶体管外形（D - PAK）、小外形晶体管（SOT）、小外形封装（SOP）等：表面贴装则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB板表面的焊盘上。这种封装方式相比插入式封装，在现代电子设备的小型化和高密度电路设计中更具优势，能够提高电路板的集成度，并且在生产过程中更适合自动化组装。

2. IGBT（绝缘栅双极型晶体管）

IGBT的封装需要考虑到其高电压、大电流的特性。在封装中要注重散热性能，因为IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良会影响其性能和可靠性。同时，IGBT的封装还需要保证良好的电气绝缘性能，以防止电路中的短路等问题。例如在电动汽车的动力系统中，IGBT模块需要在高温、高电压、高功率的环境下稳定工作，其封装必须能够承受这些恶劣的工作条件并且保证长时间的可靠性。在一些模块封装中，会采用特殊的散热结构和绝缘材料来满足IGBT的工作要求。

功率器件封装技术的创新方向

1. 材料创新

• 新型连接材料：银烧结日益成为SiC芯片粘接的首选方法。银烧结技术相比传统的连接材料，能够提供更好的导热性能和电气连接性能，在高温环境下也能保持较好的稳定性，有助于提高功率器件在高功率运行时的可靠性。

• 高性能基板材料：Si3N4和AlN AMB基板是SiC的首选技术，其中Si3N4更受关注。这些基板材料具有高导热性、高绝缘性等特点，能够有效地将功率器件产生的热量传导出去，并且能够满足功率器件在高电压下的绝缘要求，有助于提高功率器件的整体性能。

2. 结构创新

• 低杂散电感封装结构：为了适应功率器件的快速开关特性，减小传统封装中杂散电感参数较大的问题，多种低杂散电感封装结构被开发出来。如单管翻转贴片封装、DBC + PCB混合封装、芯片正面平面互连封装等，这些封装结构通过改变芯片的连接方式、布局等手段，有效地减小了杂散电感，降低了在开关过程中的电压过冲、损耗以及电磁干扰等问题。

• 双面散热封装结构：双面散热封装结构可以实现功率器件上下表面同时散热，提高了散热效率，降低了模块热阻。例如在一些SiC模块封装中采用上下表面均为DBC板的焊接方式，能够在有限的空间内提高功率密度，并且通过合理的芯片布局和结构设计，还可以减小回路寄生电感参数。

3. 多功能集成封装

随着功率器件在各种复杂系统中的应用，多功能集成封装成为创新方向之一。例如在一个封装模块中集成多种功能，如同时实现功率转换、信号处理、保护功能等。这不仅可以提高系统的集成度，减少电路板的面积，还能够提高整个系统的可靠性和性能。通过将不同功能的电路或器件集成在一个封装内，可以减少信号传输的延迟和干扰，提高系统的响应速度和稳定性。

国内外功率器件封装技术对比

1. 技术水平

• 国外：在功率器件封装技术方面，国外一些发达国家和地区在技术研发和创新上处于领先地位。例如在低寄生电感封装技术方面，国外较早地开展了相关研究，开发出了一些先进的低杂散电感封装结构，如阿肯色大学团队提出的单管翻转贴片封装技术。在高温封装材料和工艺方面，国外也有较为深入的研究，能够提供适用于高温环境下的芯片连接材料和制作工艺。在多功能集成封装方面，国外企业能够将多种功能集成在一个封装模块中，并且保证较高的性能和可靠性。

• 国内：国内在功率器件封装技术方面近年来取得了长足的发展。在一些领域已经能够实现国产化替代，例如长晶科技向市场推出了晶圆级封装MOSFET，成为国内首家打破垄断、完成国产替代的高科技企业。在低杂散电感封装方面，国内也开展了相关研究，如株洲中车时代电气、天津大学等团队对双面散热封装模块进行了热、电气、可靠性等多方面的研究。然而，与国外相比，国内在某些高端封装技术方面仍然存在一定的差距，例如在一些先进的三维集成封装技术和高性能封装材料的研发上，还需要进一步追赶。

2. 可靠性和一致性

• 国外：国外品牌在可靠性和一致性方面具有一定的优势。在汽车、高可靠性工业等领域，国外品牌的功率器件封装产品被广泛应用。这是因为国外在封装工艺的控制、原材料的质量把控等方面有着较为成熟的体系，能够保证产品在长时间、复杂环境下的稳定运行。例如在碳化硅功率器件的封装中，国外能够较好地解决传统封装杂散电感参数较大、器件高温工作时封装可靠性降低以及模块的多功能集成封装与高功率密度需求等问题。

• 国内：国内产品在可靠性和一致性方面相对较弱。在一些高端应用领域，如汽车高可靠性工业方面，国内产品的应用相对较少，部分原因是担心产品的稳定性和可靠性问题。不过，随着国内技术水平的不断提高和工艺的不断完善，这种差距正在逐渐缩小。

3. 应用领域侧重

• 国外：国外在高端应用领域，如航空航天、高端汽车电子等领域，对功率器件封装技术的要求较高，并且在这些领域占据着较大的市场份额。他们能够提供满足这些领域严格要求的封装产品，例如在航空航天领域，对于功率器件封装的抗辐射、高可靠性等方面有着特殊的要求，国外企业能够通过先进的封装技术来满足这些需求。

• 国内：国内在中低端应用领域，如消费电子等领域具有一定的优势，主要体现在价格优势和供货优势等方面。国内的功率器件封装产品在消费电子领域得到了广泛的应用，能够满足消费电子对于成本和供货及时性的要求。同时，随着国内技术的不断提升，在高端应用领域也逐渐开始崭露头角，如在新能源汽车领域，国内企业也在积极研发和应用先进的功率器件封装技术。

半导体器件清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

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