Power Semiconduntor Packaging Technology

前言 Contents

功率半導(dǎo)體器件是指可在主電路中直接實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或電路控制的電子器件，主要用于電力變化，包括整流、逆變、直流斬波，以及交流電力控制、變頻或變相。不同于其他類型半導(dǎo)體，功率半導(dǎo)體能夠耐受高電壓、大電流，通常工作在開關(guān)狀態(tài)，是電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，對電能高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、和控制起著關(guān)鍵作用。

      功率半導(dǎo)體器件根據(jù)載流子類型可以分為雙極型功率半導(dǎo)體和單極型功率半導(dǎo)體器件雙極型功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、電力晶體管（GTR）、晶閘管（Thyristor）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。單極型功率半導(dǎo)體器件包括功率MOSFET、肖特基二極管等。

     絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Bipolar Transistor ,IGBT）是有BJT（雙極結(jié)型晶體管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。IGBT可以實現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)換或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用。

     從控制類型上看，功率半導(dǎo)體從不可控器件發(fā)展為半空型器件，又發(fā)展為全控型器件。首先用于電力領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體器件為硅二極管，包括普通二極管、肖特基二極管等等，均屬于不可控器件；然后為晶閘管，晶閘管能夠承受高反向擊穿電壓及大電流，缺點在于關(guān)斷樹被動的，需要依賴外部條件，屬于半控型器件；20世紀60年代，實現(xiàn)了晶閘管的關(guān)斷，即門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor,GTO）。隨著Mosfet技術(shù)的發(fā)展，20世紀70年代后期出現(xiàn)功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）。致此，全控型器件迅速發(fā)展起來，開關(guān)速度及開關(guān)頻率普遍高于晶閘管。

功率器件及IGBT模組封裝解決方案

功率半導(dǎo)體的主要特征

1.實現(xiàn)大功率電能的變換和控制

2.處理的功率，承受的電壓、電流范圍遠大于一般電子器件

3.一直處于開關(guān)狀態(tài)，由專門的驅(qū)動電路來控制其導(dǎo)通或關(guān)斷

4.自身功耗較大，需要安裝散熱器以提高器件或系統(tǒng)的散熱能力

Si，SiC,GaN比較

1.SiC器件與Si器件相比，可以顯著降低能量損耗，因此，SiC更易實現(xiàn)小型化且更耐高溫和高壓。

2.SiC可用于實現(xiàn)電動車逆變器等驅(qū)動系統(tǒng)的小型化。由于GaN的禁帶寬度較大，利用GaN可以獲得更大呆段、更大放大器增益、尺寸更小的半導(dǎo)體器件。

3.GaN器件可以分為射頻器件和電力電子器件。SiC適用于高壓領(lǐng)域；GaN適用于低壓及高頻領(lǐng)域。

功率器件及IGBT模組封裝解決方案

功率半導(dǎo)體器件采用的主要封裝形式為通孔插裝類封裝（Through Hole Package,THP）

     功率半導(dǎo)體器件通常采用的通孔插裝類封裝外形是晶體管外形（Transistor Outline,TO),它一般有三個引腳。功率半導(dǎo)體器件封裝外形中，三個引腳的TO-220為*基本的外形，以TO-220封裝面積為基準，分類如下

（1）面積更大的外形有TO-3P、TO-247、TO-264等，這些器件的功耗比TO-220更大些

（2）面積更小的有TO-92、TO-126、TO-251（IPAK）、TO-252（DRAK），這些器件的功耗部TO-220更小些

（3）面積相同的外形有TO-262（I2PAK）、TO-263（D2PAK），這些器件的功耗與TO-220相近

功率半導(dǎo)體中還有部分小功率、引腳貼裝的封裝形式，主要有PDFN、SOT-23、DO-214、SOT-34、S0T-89、SOT-123、SOD323等

封裝屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的后道加工過程，是將前道圓片（晶圓）制造廠生產(chǎn)的圓片（晶圓）通過劃片、裝片、鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、打印、切筋成型等工序進行加工

典型封裝工藝流程如圖

功率器件及IGBT模組封裝解決方案

貼膜：在晶圓背面貼上膜，并同時將膜固定在專用的環(huán)上，避免劃片，裝片圓片變形，芯片碰撞，一般使用UV膜（UV膜可以用紫外線照射改變黏性）

劃片：分為激光和傳統(tǒng)水刀。激光切割劃片槽寬度限制小，無機械應(yīng)力適用于高硬度圓片，缺點是邊緣不規(guī)則

裝片：將切割后的單個芯片從膜上西區(qū)，使用粘接材料將芯片固定在框架上

鍵合：使用金屬線（片）連接芯片與框架或基板，實現(xiàn)芯片與框架或基板間的電氣互聯(lián)，芯片散熱及信息互通。(需要等離子清洗，推拉力測試）

塑封;利用環(huán)氧模塑料，在相應(yīng)的模具尚通過高溫高壓把鍵合好的產(chǎn)品包封起來，用于隔絕濕氣與外界環(huán)境，保護芯片

塑封后固化：為保證塑封料固化充分，需要額外增加烘烤，一般6小時。烘烤結(jié)束后需要用超聲波掃描檢測內(nèi)部的微觀缺陷如分層、空洞、塑封體裂紋、芯片裂紋等。

去飛邊：去除塑封料溢出的飛邊

電鍍：鍍錫，便于終端應(yīng)用時易焊，耐腐蝕

打?。杭す獯驑?

切筋成型：切除連接引腳的橫筋及邊筋。將引腳彎成一定形狀

IGBT灌封模塊的封裝工藝流程

什么是IGBT？

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）IGBT 被稱為電力電子行業(yè)的“CPU”，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源、電動汽車、家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

主要用途

主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等。

將單個IGBT芯片看做一個理想的開關(guān)。在模塊內(nèi)部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當直流電通過模塊時，通過不同開關(guān)組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

功率器件及IGBT模組封裝解決方案

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