1.2 功率半导体封装

封装是必需且至关重要的。微系统封装发展至今已经众所周知，电子封装主要有四个作用，即实现芯片和外部系统的信号传输、分配功率、提供散热途径，以及给电路提供机械支撑并保护其不受外界环境的影响^[12]，直接影响器件的最终应用性能。有数据显示，电子产品制造成本中封装成本占40%，而器件失效至少有25%是由封装引起的^[13]。此外，封装对于器件乃至整个系统的小型化、高度集成化及多功能化起着决定性的作用。因此，提高功率半导体器件的性能，势必会对封装提出更高要求。

1.2.1 功率半导体封装的特点

微系统封装历经数十年发展，从20世纪60年代到90年代，根据应用需求的特点，发展出各种类型的封装形式，包括双列直插封装（Dual inline Package，DIP）、针栅阵列封装（Pin Grid Array，PGA）、四边扁平封装（Quad Flat Package，QFP）、方形扁平无引脚封装（Quad Flat No-lead Package，QFN）、小外形封装（Small Outline Package，SOP）、小外形晶体管封装（Small Outline Transistor，SOT）、晶体管外形封装（Transistor Outline，TO）、球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）、微型球栅阵列封装（micro-Ball Grid Array，μBGA）、芯片尺寸封装（Chip Scale Package，CSP）、倒装芯片（Flip Chip，FC）等，芯片面积占封装面积的比例越来越高。进入21世纪，更是不断涌现出各种新型封装形式，包括多芯片封装（Multi-Chip Package，MCP）、多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）、三维封装（3D Package）、系统级封装（System in a Package，SiP）等。可以说，封装技术越来越先进，封装性能也在不断提高。

相比微系统封装，功率半导体封装历史并不悠久，至今仍在不断出现各种新兴封装形式。事实上，功率半导体与微电子制造技术及工艺基本类似，可以说，功率半导体制造工艺多使用微电子制造技术和集成电路制造工艺。因此，功率半导体封装也和微系统封装相似，同样是为了实现上述四个作用。此外，由于功率半导体器件一直工作在开关状态且处理的功率较大，支持高电压和大电流，因此功率半导体封装还需要满足以下几个要求^[14-17]：

（1）高可靠性。由于功率半导体器件的应用涉及交通、工业、新能源等领域，这些应用对可靠性要求极高。例如，轨道交通中的 IGBT 功率半导体模块要求能够保证至少30年无故障运行。此外，功率半导体器件不停地在开通和关断状态之间切换，其在交变载荷下要有高的持久性和稳定性。这些都对功率半导体封装的可靠性提出了较高的要求。

（2）高热导率。功率半导体芯片所处理的功率密度远高于微电子系统，热流密度也大大提高，因此，其封装需要达到较高的热导率，以提高功率器件的散热能力，降低封装内器件的温度，保证器件运行时的性能。

（3）低损耗。寄生参数（包括寄生电阻、寄生电容和寄生电感）会降低器件整体的电性能，尤其是高速开关器件，因此需要提高封装器件的电导率，降低系统的寄生参数，从而降低开关损耗和导通损耗，保证快速开关控制。

（4）电绝缘性。尤其是对于高电压、大电流的功率半导体器件，开关、电路、基板、热沉之间需要为功率半导体模块提供额外的电绝缘性。

根据以上特点以及应用需要，功率半导体器件既可采用非气密性封装，也可采用气密性封装。树脂封装属于非气密性封装，它采用固态封装法或液态封装材料注入成型法将功率半导体器件用环氧树脂或硅类无机填充材料进行封装。气密性封装是指将功率半导体器件放入金属或陶瓷真空腔内进行封装。功率半导体器件的封装形式日新月异，多采用平面型封装形式，按照芯片或者管芯的组装方式可分为压接结构、焊接结构、直接覆铜陶瓷基板结构。

功率半导体器件选用的封装类型主要由其功率来决定，通常分为分立式封装、模块式封装及集成电路封装。分立式封装普遍用于小功率器件，中高功率器件一般选用模块式封装。集成电路封装多用于小功率场合。为了应对功率电子技术集成化与智能化的发展趋势及应用的需求，功率半导体器件的封装将向高性能、高效率、大功率密度、高运行温度、高可靠性及小型化的趋势发展。

1.2.2 分立功率器件封装

分立功率器件需要焊接到PCB上应用，封装体内无内绝缘设计，每个封装只有一个开关。这类封装一般功耗低，对散热要求不高。早期功率半导体封装直接采用微系统逻辑元件封装形式，即DIP、QFP/QFN、SOP、SOT、TO等，芯片和引脚通过引线键合（Wire Bond，WB）进行互连。几款典型的分立功率器件的TO封装形式如图1-1所示。

随着功率半导体器件的电流和电压越来越大，工作频率也越来越高，分立功率器件的封装形式不断改进，例如，将键合引线用桥夹（Clip Bond）或键合带（Bonding Ribbon）或键合薄片（Bonding Foil）替代，如图1-2所示，能够大幅提高其能承受的电流密度；还有无键合引线甚至无引脚的 DirectFET 封装（见图1-3）。

分立式封装的优点在于安装简单、载流能力不受电极引线限制，可完全消除导线的寄生电感和实现双面冷却；然而，其缺点也很显著，如硅芯片和铜底板的热膨胀系数不匹配（这一因素限制了TO封装的可靠性），硅敏感器件耐湿气耐腐蚀能力差，封装不透明、背面互连情况难以检测等。随着封装工艺和封装材料的发展，用陶瓷衬底替代铜底板的碳化硅芯片的应用逐渐普及、新型的封装模式（如引线框架结构、压铸模块、改进的 TO 封装等）不断出现，分立式封装在实际中仍有较为广泛的应用。

1.2.3 功率半导体模块封装

把集成电路技术的发展思路延伸到功率电子技术领域，将功率半导体器件及配套的辅助元件按照典型功率电子电路拓扑结构，以绝缘方式组装到金属基板上，集成到一个模块中，就形成了功率半导体模块（Power Module）封装。功率半导体模块封装可以缩小装置整体的体积，降低成本，同时提高装置的可靠性。自赛米控（Semikron）公司1975年推出全球第一款带双极芯片的绝缘功率半导体模块（见图1-4）之后，该封装模式迅速发展，已经成为功率电子技术的趋势和主流。直到今天，业界功率半导体模块仍应用广泛（见图1-5）。

功率半导体模块封装方法是使多个功能元件共享同一封装体，以此减少封装元件数量，在一定程度上提高了封装的集成度。典型的功率半导体模块封装产品为采用混合IC封装技术的多芯片模块（multi-Chip Module，MCM），通过将多个不同种类的芯片安装在同一块基板上，采用埋置（Embed）、叠层（Stack）等工艺实现三维互连。其中，智能功率模块（IPM）是一种典型的混合IC封装的多芯片模块，所封装的芯片包括功率半导体器件及驱动、保护、控制电路芯片，可实现智能控制功能。

功率半导体模块封装一般应用于高电压（1200V及以上）、大电流（10A及以上）、中高功率场合。

相比于分立功率器件封装，功率半导体模块封装的特点在于：

（1）具有绝缘结构。功率半导体模块中，元器件和散热面之间以绝缘材料隔开。例如采用陶瓷材料作绝缘层，实现元器件和散热面介电隔离，且陶瓷具备一定的散热性能，适合用作高功率密度模块基板。

（2）高热导率。由于模块的功率等级高，功耗大，导致热流密度大，为保证芯片温度不超过结温、模块性能良好、可靠性高，对功率半导体模块封装体内各部件的热导率要求较高。

（3）功能单一。功率半导体模块虽然集成了多个功率半导体芯片及辅助元件，但通常以功率半导体芯片并联的方式实现单一的功能。

功率半导体模块的发展过程涌现了各式各样的封装形式，包括经典晶闸管功率模块、饼形结构模块、经典带底板模块、无底板模块、集成了整流器和多个传感器的智能功率模块等。

1.2.4 功率集成电路封装

借助集成电路的设计思路，将驱动、控制、保护等信息电子电路和功率半导体器件集成到同一芯片中，实现信息和电能集成的电路，就是功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC），这种形式称为单片集成。另一种形式为混合封装集成，是用新的功能元件替代原先多个功能元件，从而减少功能元件的数目，实现封装元件的集成，典型的混合封装集成为厚、薄膜混合集成电路。这种集成封装方式，我们称之为功率IC封装。它在实现信息和电能集成的同时，减少了电子系统中元器件的数目，降低了成本，缩小了体积；同时减少了焊点，直接减少了失效的可能性；整体而言，提高了系统可靠性，降低了功耗。根据侧重点不同，功率IC封装可分为高压集成电路、智能功率集成电路等，具体产品包括功率 MOS 智能开关、两相步进电动机驱动器、三相无刷电动机驱动器、直流电动机单相斩波器、开关集成稳压器等^[18]。

功率IC封装应用广泛，从移动通信和消费电子等便携式器件到航空航天和汽车电子器件，发展出超过30种不同类型的封装形式。目前功率IC封装主要采用已经成熟的封装形式，如薄型缩小 SOP 封装（TSSOP）、窄节距小外形封装（QSOP/SSOP）、小外形集成电路封装（SOIC）、模压双列直插式封装（MDIP）等。针对高功率密度散热需求，功率IC封装也逐渐发展到模塑无脚封装（MLP）、薄型MLP、双排MLP、QFN、芯片级封装（WL-CSP）等封装形式。随着智能化和集成化程度的提高，功率IC封装将进一步发展到超薄MLP封装、模压倒装芯片级封装（MCSP）、倒装芯片BGA、小间距WL-CSP等封装形式。

功率 IC 封装目前一般适用于小功率场合，以三端离线 PWM 开关（Three Terminal Off-line PWM Switch，TOP Switch）为代表的功率集成电源已经广泛应用于通信类移动电子设备中^[11]。至于大功率、高电压的应用，由于电磁干扰、散热、绝缘强度等因素，功率IC封装的实现还存在较多阻碍，目前较难实现。但随着技术的发展，尤其是材料和半导体工艺的进步，功率IC封装前景光明。