功率器件及IGBT模组封装解决方案

Power Semiconduntor Packaging Technology

前言 Contents

功率半导体器件是指可在主电路中直接实现电能转换或电路控制的电子器件，主要用于电力变化，包括整流、逆变、直流斩波，以及交流电力控制、变频或变相。不同于其他类型半导体，功率半导体能够耐受高电压、大电流，通常工作在开关状态，是电能转换与电路控制的核心，对电能高效产生、传输、转换、存储、和控制起着关键作用。

      功率半导体器件根据载流子类型可以分为双极型功率半导体和单极型功率半导体器件双极型功率半导体器件包括功率二极管、双极结型晶体管(BJT)、电力晶体管（GTR）、晶闸管（Thyristor）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。单极型功率半导体器件包括功率MOSFET、肖特基二极管等。

     绝缘栅双极型晶体管（Insulated Bipolar Transistor ,IGBT）是有BJT（双极结型晶体管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT可以实现直流电和交流电之间的转换或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。

     从控制类型上看，功率半导体从不可控器件发展为半空型器件，又发展为全控型器件。首先用于电力领域的功率半导体器件为硅二极管，包括普通二极管、肖特基二极管等等，均属于不可控器件；然后为晶闸管，晶闸管能够承受高反向击穿电压及大电流，缺点在于关断树被动的，需要依赖外部条件，属于半控型器件；20世纪60年代，实现了晶闸管的关断，即门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor,GTO）。随着Mosfet技术的发展，20世纪70年代后期出现功率场效应晶体管（Power MOSFET）。致此，全控型器件迅速发展起来，开关速度及开关频率普遍高于晶闸管。

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功率半导体的主要特征

1.实现大功率电能的变换和控制

2.处理的功率，承受的电压、电流范围远大于一般电子器件

3.一直处于开关状态，由专门的驱动电路来控制其导通或关断

4.自身功耗较大，需要安装散热器以提高器件或系统的散热能力

Si，SiC,GaN比较

1.SiC器件与Si器件相比，可以显著降低能量损耗，因此，SiC更易实现小型化且更耐高温和高压。

2.SiC可用于实现电动车逆变器等驱动系统的小型化。由于GaN的禁带宽度较大，利用GaN可以获得更大呆段、更大放大器增益、尺寸更小的半导体器件。

3.GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。SiC适用于高压领域；GaN适用于低压及高频领域。

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功率半导体器件采用的主要封装形式为通孔插装类封装（Through Hole Package,THP）

     功率半导体器件通常采用的通孔插装类封装外形是晶体管外形（Transistor Outline,TO),它一般有三个引脚。功率半导体器件封装外形中，三个引脚的TO-220为*基本的外形，以TO-220封装面积为基准，分类如下

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

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

（3）面积相同的外形有TO-262（I2PAK）、TO-263（D2PAK），这些器件的功耗与TO-220相近

功率半导体中还有部分小功率、引脚贴装的封装形式，主要有PDFN、SOT-23、DO-214、SOT-34、S0T-89、SOT-123、SOD323等

封装属于半导体产业的后道加工过程，是将前道圆片（晶圆）制造厂生产的圆片（晶圆）通过划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋成型等工序进行加工

典型封装工艺流程如图

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贴膜：在晶圆背面贴上膜，并同时将膜固定在专用的环上，避免划片，装片圆片变形，芯片碰撞，一般使用UV膜（UV膜可以用紫外线照射改变黏性）

划片：分为激光和传统水刀。激光切割划片槽宽度限制小，无机械应力适用于高硬度圆片，缺点是边缘不规则

装片：将切割后的单个芯片从膜上西区，使用粘接材料将芯片固定在框架上

键合：使用金属线（片）连接芯片与框架或基板，实现芯片与框架或基板间的电气互联，芯片散热及信息互通。(需要等离子清洗，推拉力测试）

塑封;利用环氧模塑料，在相应的模具尚通过高温高压把键合好的产品包封起来，用于隔绝湿气与外界环境，保护芯片

塑封后固化：为保证塑封料固化充分，需要额外增加烘烤，一般6小时。烘烤结束后需要用超声波扫描检测内部的微观缺陷如分层、空洞、塑封体裂纹、芯片裂纹等。

去飞边：去除塑封料溢出的飞边

电镀：镀锡，便于终端应用时易焊，耐腐蚀

打印：激光打标

切筋成型：切除连接引脚的横筋及边筋。将引脚弯成一定形状

IGBT灌封模块的封装工艺流程

什么是IGBT？

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）IGBT 被称为电力电子行业的“CPU”，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,广泛应用于轨道交通、智能电网、新能源、电动汽车、家用电器、工业控制等领域。

主要用途

主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。

将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电。

功率器件及IGBT模组封装解决方案

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