功率半导体封装技术

功率半导体封装是连接芯片和外部电路的关键环节，具有实现电气连接、提供机械支撑、保护芯片以及提供散热通道等重要功能。

一、常见的封装类型

1. 分立式封装

• 广泛应用于小功率范围。这类封装的功率器件需要焊接到印刷电路板上，由于功率损耗相对较低，散热要求不高，通常不采用内部绝缘，每个封装中只有一个开关。例如晶体管常采用的TO（Transistor Outline）封装，像流行的TO - 220和TO - 247封装形式。不过，TO封装存在一些缺陷，其寄生电阻和Ron（导通电阻）数量级相当，而且由于印刷电路板（PCB）的通孔是标准的，并且要满足和保持引线之间的最小绝缘距离要求，不能简单地通过增加引脚截面积来降低引脚的寄生电阻，只能通过优化引脚截面积的形状来改善。此外，为了降低成本而使用铝线连接，要改善电阻损耗，只能加粗导线或增加引线数量，但这样会带来杂散电感的问题。随着技术发展，小功率器件也开始采用表面贴装技术（SMT），如SOT、SOP等封装类型。

2. 模块封装

• 适用于中大功率应用。对于更高功率需求，模块封装有其优势。例如在高功率范围，还有一种压接封装（Press Packs）或饼形封装（Capsules）类型，主要应用于高功率范围且目前尚不能由功率模块实现的情况。在极高功率范围中，功率芯片的大小可以达到整个晶圆的尺寸，此时具有圆形管脚的培养皿型封装成为适合圆形芯片的理想封装形式。在这种封装中，为了平衡压力并避免压力峰值，介于两个金属片之间放置一个缓冲器件，钼是比较理想的金属材料，它具有高硬度和良好的热膨胀系数，硅芯片在阳极一侧与一块刚性的钼圆盘底座烧结在一起，然后在阴极一侧通过压接与第二个钼圆片连接，使芯片位于封装内部的中心位置。

3. 新型封装技术

• 随着技术的发展，不断有新的封装技术涌现。如银烧结、铜线键合等新材料和新工艺不断地被引入到功率半导体封装中。双面冷却封装、薄片压接式封装、多片式集成功率模块乃至异质多芯片功率模块等新型封装技术也不断出现。这些新型封装技术有助于提高功率半导体的性能、可靠性和散热能力等。

二、封装涉及的材料、工艺、质量控制和产品认证

1. 材料方面

• 不同的封装材料对功率半导体的性能有着重要影响。例如在一些高功率应用中，钼这种材料用于特定的封装结构中，是因为它具有高硬度和良好的热膨胀系数。封装材料还包括用于连接芯片和引脚的键合材料等，传统的铝线键合在一些情况下存在局限性，而铜线键合的引入改善了性能。此外，封装材料还需要考虑其导热性、绝缘性等特性。

2. 工艺方面

• 封装工艺涵盖多个步骤，从芯片的贴装到引脚的连接等。在芯片贴装过程中，要确保芯片与封装底座之间的良好接触，以实现有效的散热和电气连接。键合工艺则是将芯片的电极与封装引脚连接起来，如金线键合、铜线键合等工艺，键合的质量直接影响到电气连接的可靠性。在一些新型封装工艺中，银烧结工艺可以提高连接的可靠性和导热性能。

3. 质量控制

• 质量控制在功率半导体封装中至关重要。在生产过程中，需要对封装的各个环节进行严格的检测。例如对芯片贴装的位置精度、键合的强度和质量等进行检测。通过各种测试手段，如拉力测试来检测键合的牢固程度，光学检测来检查芯片贴装的位置等，确保封装的质量符合要求。

4. 产品认证

• 功率半导体封装产品需要通过相关的认证，以证明其符合行业标准和规范。不同的应用领域可能有不同的认证要求，例如在汽车和航天等特殊领域，对功率半导体封装的可靠性、安全性等方面有着更为严格的认证标准。这些认证标准涵盖了从材料到工艺，再到产品性能和可靠性等多方面的要求。

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功率半导体测试方法

功率半导体测试是确保其性能和可靠性的重要手段，通过多种测试方法可以全面评估功率半导体的各项特性。

一、半导体材料的电阻率测试

1. 四探针测试法

• 四探针技术可测试对象主要有晶圆片和薄层电阻，例如硅衬底片、研磨片、外延片、离子注入片、退火硅片、金属膜和涂层等。它是微区薄层电阻测试的常用方法，不同于使用万用表测量常规导体电阻，因为半导体硅单晶电阻率以及微电子领域的其他金属薄膜电阻率的测量需要利用微小信号供电以及高精密的量测设备，并且在测试接线方式上采用四线制接法来提升测量结果的准确性。

• 直线四探针法原理是用针距为1mm的四根探针同时压在样品的平整表面上，利用恒流源给外面的两个探针通以微小电流，然后在中间两个探针上用高精密数字万用表测量电压，最后根据理论公式计算出样品的电阻率。这种方法能测出超过其探针间距三倍以上大小区域的不均匀性。测试设备包括不同探针间距探针台、IT2806高精密源表和上位机软件PV2800。IT2806高精密源表（简称SMU）集六种设备功能于一体（恒流源、恒压源、脉冲发生器、6.5位DVM、电池模拟器、电子负载），在电阻率的测试中，可将IT2806高精密源表切换至恒流源模式，在输出电流同时量测中间两探针之间的微小压降，并搭配免费的PV2800上位机软件，自动得出电阻率的测量结果。

• 方形四探针法（如范德堡法）适用于扁平、厚度均匀、任意形状且不含有任何隔离孔的样品材料测试。与直线型四探针法相比，其对样品形状没有要求。测试中，四个探针接触点必须位于样品的边缘位置，测试接线方式也是在其中两个探针点提供恒定电流，另外两个点量测电压，围绕样品进行8次测量，对这些读数进行数学组合来决定样品的平均电阻率，详细测试方法可参见ASTM标准F76。

2. 测试优势

• 使用IT2800系列高精密源表测量电阻率具有测试便捷的优点，ITECH IT2800系列高精密源/测量单元标配免费的上位机PV2800软件，并可选配不同直线探针间距的探针台，利用软件内置的公式，即可直接得出电阻率的测试结果。而且测试精度高，高达100nV/10fA分辨率，电流量测精度最高可达0.1% + 50pA，电压量测精度最高可达0.015%+300uV，还提供正向/反向电流连续变化测试，提高测试精度。

二、半导体器件的I - V特性测试（以MOSFET为例）

1. MOSFET转移特性测试（ID = f(VGS))

• 转移特性验证的是栅极电压VGS对漏极电流ID的控制作用，其表征了器件的放大能力。对于恒定的VDS，VGS越大，则沟道中可移动的电子越多，沟道电阻越小，相应的ID就越大，当VGS达到一定值的时候，电压再大，ID也不会再有太大的变化。测试方法为在漏极D和源极S之间连接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，施加特定的VDS值，接着通过SMU2 - IT2805扫描VGS，并同步量测ID，随着VGS的增大，ID也会增大，最终绘制出曲线。测试优势在于IT2800系列提供多种扫描模式：直流或脉冲，线性或对数，单向或双向。对于敏感型的功率器件，测试人员可选择脉冲扫描方式，以减少通过持续的直流而导致器件温度升高、特性发生变化等问题。另一方面为确保当VGS变化时，同步量测到稳定的ID参数，两台SMU之间采用光纤的通讯方式，极大缩减了同步误差，可低于30ns。

2. MOSFE输出特性测试（ID = f(VDS))

• MOS管的输出特性可以分为三个区：截止区、恒流区、可变电阻区。当MOSFET工作在开关状态时，随着VGS的通/断，MOSFET在截止区和可变电阻区来回切换。当MOSFET工作于恒流区时，可以通过控制VGS的电压来控制电流ID。测试方法是同样在漏极D和源极S之间连接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，提供扫描电压VDS，在栅极G和源极S之间连接SMU2 - IT2805，提供扫描电压VGS。测试过程中，漏源极电压VDS设定从0V开始扫描至终止电压，当VDS扫描结束后，栅极电压VGS步进到下一个数值，VDS再次进行扫描。此外，还可以选配ITECH的SPS5000软件，实现自动化的半导体静态特性测试。SPS5000软件内建CMOS的半导体模型及丰富的静态指标测试项目，只需进行简单的参数配置即可快速完成测试，当测试完成后，上位机软件可以对多次测试进行综合的分析，显示table数据或曲线，帮助工程师提升测试效率。

三、双脉冲测试

1. 测试原理和意义

• 双脉冲测试（Double Pulse Test）是分析功率开关器件动态特性的常用测试。通过双脉冲测试可以便捷地评估功率器件的性能，获得稳态和动态过程中的主要参数，更好地评估器件性能，优化驱动设计等。虽然功率半导体器件的手册上会有参数标注，但这些参数都是在标准测试条件下得到的。在实际应用中，如果不加以测试，直接在标定的工况下运行看能否达到设计的功率，无法全面了解器件性能，进而影响产品长期可靠性，或者设计裕量过大带来成本增加，使得产品的市场竞争力下降。例如在使用IGBT或者MOSFET做逆变器的设计中，如果能在设计研发阶段，精准地了解器件的开关性能，将对整个产品的优化带来极大的好处，如能在不同的电压、电流和温度下获得开关损耗，给系统仿真提供可靠的数据，还可以通过观察波形振荡情况来选择合适的门极电阻。

2. 测试平台和流程

• 测试平台包括高压电源（如IT6700H/IT6018C - 1500 - 40/IT - M3906C - 1500 - 125）、高压差分电压探头（1000:1）、SMU（如IT2806）等。测试流程为在t0时刻，被测IGBT的门极接收到第一个脉冲，被测IGBT导通，母线电压U加在负载电感L上，电感上的电流线性上升，I = U*t/L。IGBT关断前的t1时刻，电感电流的数值由U和L决定；在U和L都确定时，电流的数值由IGBT开启的脉宽T1决定，开启时间越长，电流越大。

功率半导体可靠性分析

功率半导体的可靠性是其在各种应用场景中能够长期稳定工作的关键指标，需要通过多种测试和分析方法来评估。

一、可靠性测试项目分类

1. 基本特性测试

• 主要包括静态特性测试和动态特性测试。以IGBT为例，静态特性测试一般指饱和压降Vces、阈值电压Vgeth、集 - 射极漏电流Ices、栅 - 射极漏电流Iges、稳态热阻Rth等静态参数。这些静态参数主要表征模块的一些基本性能参数，是表征模块优良的重要指标，例如饱和压降Vces表征器件的导通能力，Vces越小，模块工作过程中的导通损耗越小，相同条件下温升越小。动态特性测试一般指双脉冲测试，包括开通延时时间td(on)、下降时间tf等动态参数，还可包括安全工作区SOA的测试，有RBSOA和SCSOA。器件加速老化可靠性实验前必须进行模块的基本特性测试，尤其是静态特性测试，一方面确保被测器件功能的完整性，另一方面可用于老化后的对比分析，助力器件失效模式的分析。不过，一般在可靠性老化测试中不进行器件的动态特性测试，即使是进行栅极老化的高温栅偏实验，一方面是动态特性测试时间很短，封装的老化并不会影响器件的动态特性，另一方面器件的部分动态特性可通过Iges和Vgeth表征，甚至可进行栅极电容的测试来表征。

2. 极限能力测试

• 主要包括短路能力测试、浪涌能力测试和极限关断能力测试，考核的是器件在极端工况下的能力，尤其是关断能力。例如短路能力测试主要考核器件在短路（一般有3类短路情况）条件下器件的极限关断能力，一般为10µs能关断电流的数值，主要考核芯片的能力。浪涌能力则是考核反并联二极管抗浪涌能力，一般是10ms正弦半波的冲击，尤其是SiC MOSFET的体二极管非常重要，可能还会影响栅极的可靠性，由于时间较长，主要考核封装的水平。极限关断能力则是考核器件饱和状态下在毫秒级的关断能力，如电网用的直流断路器需要在3ms关断6倍的额定电流。从物理和传热学理论来看，短路测试虽然会有大量的能量产生，最终也是由于能量超过芯片极限而损坏，但由于测试时间非常短，反复的短路测试不会引起封装的老化，而浪涌能力和极限能力测试则将进一步影响封装的老化，是加速老化测试未来应该重点关注的测试。此外，极限能力是特种电源等极端应用时需要重点关注的测试。

3. 可靠性测试

• 主要包括功率循环、温度循环、温度冲击、机械冲击、机械振动、高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏和高低温存储等，额外的还包括盐雾等测试。按照应力的来源区分其实可分为电应力加速老化和环境应力加速老化。从器件研发到量产以及应用过程中，需要经过大于10项可靠性测试，机械冲击、机械振动、温度存储等主要考核的是器件在运输或者存储过程中的可靠性，而最重要的测试主要有高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏、温度循环和功率循环。这些实验也是工业界和学术界研究最多、最复杂的测试，尤其是功率循环测试。通过上述加速老化实验，可以提前暴露器件在芯片设计、封装工艺、样品制备、运输存储、实际应用过程中可能存在的问题，一方面可为器件厂商提供改进建议，优化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可为器件的应用方提供技术指导以及实际产品设计和可靠性验证提供数据支撑。

4. 失效分析

• 主要包括SAM超声波扫描分析、X - ray材料损伤检测分析、SEM电子显微镜分析、光学显微镜分析和有限元仿真分析。SAM超声波扫描分析主要是通过超声波对器件内部各层材料进行探伤，尤其是材料的界面处，当存在一个空洞时，返回的超声波能量和相序发生了变化，即可进行定位。X - ray则更多是用于材料本体探伤研究，多用于材料级的失效分析，SEM电子显微镜和光学显微镜也是一样，但光学显微镜需要打开模块才能对相应的位置进行深入探究。有限元仿真分析是一个除实验外最好的检测、分析和研究手段，通过实验测量数据的对比和修正，完全重现实验过程中器件内部的细节和薄弱点，也是失效分析最难和最为重要的环节。

二、不同类型功率器件的可靠性特点

1. 硅基器件（如IGBT）

• 硅基IGBT器件由于驱动功率小和饱和压降低，而且具有电压等级高（高达6500V）和电流范围广（高达3600A）的优势，在新能源、轨道交通、电动汽车、工业应用和家用电器等应用中成为中流砥柱。但在可靠性方面，随着使用开关频率的提升、能耗要求和基础材料的发展，也面临着新的挑战。例如在高工作结温、高功率密度和高开关频率的发展需求下，其封装的可靠性需要进一步提升以适应电力电子装置小型化的要求。

2. 碳化硅（SiC）基器件（如SiC MOSFET）

• SiC MOSFET具备高击穿场强、高工作结温和高开关频率的特点，在电动汽车等应用中得到重点关注。然而，SiC器件由于栅极的不稳定性，在可靠性测试方面需要重点关注其栅极氧化层的可靠性。例如，英飞凌在控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性时，会进行如马拉松应力试验、栅极电压步进应力试验等来筛查SiC MOSFET栅极氧化层的可靠性，还会关注其偏压温度不稳定性等方面的情况。

3. 氮化镓（GaN）基器件

• GaN工艺的不断成熟以及在射频领域的发展经验，目前600V左右的高频开关领域GaN器件非常有优势，尤其是车载充电机（OBC）。但由于GaN动态的快速性，在测试方法和细节上要有所区分，以确保对其可靠性的准确评估。

功率半导体封装与测试的关系

功率半导体的封装和测试是紧密相关的两个环节，封装的质量和特性会影响测试结果，而测试又能对封装的优化和改进提供依据。

一、封装对测试的影响

1. 电气连接方面

芯片封装清洗介绍

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。

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。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。