封裝(zhuang)技術(shu)是一種(zhong)將芯片(pian)與承載(zai)基(ji)(ji)板連接(jie)固定、引出管腳并將其塑封成整(zheng)體功率(lv)(lv)器(qi)件或模塊(kuai)的工(gong)藝(yi)，主要起(qi)到電氣連接(jie)、結構(gou)(gou)(gou)支持和保(bao)護、提供散(san)熱途徑等作用。封裝(zhuang)作為模塊(kuai)集成的核心環節，封裝(zhuang)材(cai)料、工(gong)藝(yi)和結構(gou)(gou)(gou)直接(jie)影響(xiang)到功率(lv)(lv)模塊(kuai)的熱、電和電磁干擾等特性。目前(qian)成熟(shu)的封裝(zhuang)技術(shu)主要是以(yi)(yi)銀膠或錫基(ji)(ji)釬料等連接(jie)材(cai)料、引線連接(jie)等封裝(zhuang)結構(gou)(gou)(gou)為主，耐高溫、耐高壓性能(neng)差，電磁兼容問(wen)題突出，無法提供高效的散(san)熱途徑。近來(lai)，燒結銀互連材(cai)料、三維(wei)集成封裝(zhuang)結構(gou)(gou)(gou)等由于具(ju)有優異的耐高溫、高導熱性能(neng)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)實現雙面散(san)熱、大幅降低開關(guan)損耗，使得(de)功率(lv)(lv)模塊(kuai)具(ju)有良(liang)好的熱、電特性和可(ke)(ke)靠(kao)(kao)性，獲(huo)得(de)了越來(lai)越多的研究(jiu)(jiu)和關(guan)注(zhu)，有望(wang)滿足第三代半導體器(qi)件在高溫、高壓和高頻領(ling)域的可(ke)(ke)靠(kao)(kao)應用。本(ben)文針對(dui)功率(lv)(lv)電子封裝(zhuang)結構(gou)(gou)(gou)設計的最(zui)新研究(jiu)(jiu)進(jin)展(zhan)進(jin)行了總結和展(zhan)望(wang)。

封裝結構

       根據芯片(pian)組裝(zhuang)方式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)和(he)互(hu)(hu)(hu)連(lian)工(gong)藝的(de)(de)不同，功率電(dian)子(zi)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)可(ke)分為焊接(jie)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)和(he)壓接(jie)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)兩種(zhong)形式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)發(fa)展趨勢(shi)如(ru)圖4所示，其中(zhong)焊接(jie)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)可(ke)以采(cai)用引(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵合、倒裝(zhuang)芯片(pian)（BGA互(hu)(hu)(hu)連(lian)）、金屬(shu)(shu)柱(zhu)互(hu)(hu)(hu)連(lian)、凹陷(xian)陣列互(hu)(hu)(hu)連(lian)、沉積金屬(shu)(shu)膜互(hu)(hu)(hu)連(lian)等結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)。壓接(jie)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)是借(jie)助外界機械壓力(li)形成(cheng)(cheng)互(hu)(hu)(hu)連(lian)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)。為了便于對比分析(xi)，將上述幾種(zhong)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)方式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)優缺(que)點列于表6。引(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵合具(ju)有技(ji)術成(cheng)(cheng)熟、成(cheng)(cheng)本低、布(bu)線(xian)(xian)靈活等優點。然而(er)，引(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵合的(de)(de)模塊(kuai)具(ju)有較高的(de)(de)寄生電(dian)感(gan)，只能從底板單(dan)面散熱(re)。并(bing)且，由于鍵合引(yin)(yin)線(xian)(xian)和(he)芯片(pian)的(de)(de)CTE不匹(pi)配，產生較大的(de)(de)熱(re)-機械應(ying)力(li)，使得(de)焊點易疲勞失效，成(cheng)(cheng)為模塊(kuai)在功率循(xun)環過程中(zhong)最主(zhu)要的(de)(de)失效形式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。

       目前功率電子封裝結構逐漸從傳統的引線鍵合標準封裝結構向二次注塑（Overmold）、雙面連接（Double-Side Bonding）、器件集成（Component Integration）、三維功率集成封裝結構（3D Power Integration）發展。通過去除引線，可以降低電磁干擾、提高散熱效率、增大集成度。其中，注塑結構為緊湊型平面封裝，易于批量模塊生產；雙面連接結構可以實現雙面散熱，提高散熱效率；器件集成結構可以將多種功能集成在模塊內部，提高開關速度；三維功率集成結構是將芯片在垂直方向上堆疊連接，可大幅降低寄生電感，提升開關性能。
        相比于二維(wei)(wei)封(feng)裝(zhuang)，三維(wei)(wei)封(feng)裝(zhuang)具有顯著的優點，如可以(yi)(yi)在垂直方(fang)向(xiang)上大(da)大(da)縮短(duan)回路(lu)距離(li)，降低(di)寄生電感和電磁干(gan)擾，提高(gao)傳輸速度，提高(gao)開(kai)關性(xing)能，降低(di)功(gong)率(lv)損耗；可以(yi)(yi)集(ji)(ji)成多種(zhong)芯片和器件(jian)，如門極驅動(dong)電路(lu)、去耦電容(rong)、散(san)熱器等(deng)(deng)，進(jin)(jin)一步提高(gao)功(gong)率(lv)集(ji)(ji)成密度，縮小封(feng)裝(zhuang)體積。但是，三維(wei)(wei)封(feng)裝(zhuang)目(mu)前也面臨一些挑戰，如芯片疊(die)層互(hu)連帶來的熱管理、生產工藝(yi)和良率(lv)等(deng)(deng)問題(ti)，制(zhi)程工藝(yi)有待進(jin)(jin)一步完善。

3.1  二次注塑封裝

       二次注塑封裝(zhuang)結(jie)構是在傳統引線(xian)鍵(jian)合(he)(he)的封裝(zhuang)結(jie)構基礎(chu)上(shang)，將芯片直接粘接在引線(xian)框架上(shang)，去(qu)除了鍵(jian)合(he)(he)引線(xian)，并(bing)(bing)用環(huan)氧樹(shu)脂(zhi)進行(xing)注塑封裝(zhuang)的結(jie)構。與引線(xian)鍵(jian)合(he)(he)的封裝(zhuang)結(jie)構相比，注塑封裝(zhuang)的芯片頂部連接面積增(zeng)大(da)，使得散(san)熱效率(lv)提高；寄生電感降低，使得功率(lv)損耗降低，并(bing)(bing)且非常(chang)利(li)于模(mo)塊化批(pi)量生產，在電動汽車的整流器中得到廣泛應(ying)用。

3.2  雙面連接封裝

       雙面連接結構是將芯片分別與上、下基板連接，例如西門康公司提出的SKiN功率模塊、富士電機提出的銅針互連SiC功率模塊等，可以達到去除鍵合引線的目的。雙面連接封裝結構主要有兩個優點：（1）消除發射極表面的引線鍵合，有效降低寄生電感，減小電壓過沖和功率損耗，提高開關性能；（2）實現芯片上下兩個方向散熱，提高散熱效率，有效降低芯片結溫，從而減緩失效。美國橡樹嶺國家實驗室提出了一種雙面連接DBC基板封裝的Si IGBT或SiC MOSFET功率模塊，相比于傳統的引線鍵合模塊，其電感降低62%，開關損耗降低50%~90%，散熱效率提高40%~50%。

        但雙面(mian)連(lian)(lian)(lian)接結(jie)構(gou)(gou)也有(you)(you)一(yi)些(xie)缺點。第(di)一(yi)，相(xiang)比(bi)于引(yin)線鍵合模(mo)塊(kuai)，雙面(mian)連(lian)(lian)(lian)接結(jie)構(gou)(gou)具有(you)(you)更多(duo)層(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)，加大(da)了(le)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)工藝的(de)(de)復(fu)雜性。第(di)二，各層(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)的(de)(de)CTE不(bu)(bu)同(tong)(tong)，熱失配會產生更大(da)的(de)(de)熱-機(ji)械(xie)應力(li)，降低(di)了(le)連(lian)(lian)(lian)接層(ceng)(ceng)可靠性。為了(le)降低(di)熱-機(ji)械(xie)應力(li)，一(yi)些(xie)與芯(xin)片CTE匹配的(de)(de)金屬，如Mo或(huo)Cu/Mo/Cu[23]等被用作(zuo)中介層(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)。第(di)三，在(zai)實現不(bu)(bu)同(tong)(tong)厚(hou)度(du)的(de)(de)多(duo)芯(xin)片雙面(mian)連(lian)(lian)(lian)接的(de)(de)功率模(mo)塊(kuai)時，如圖5所示，需(xu)要可以(yi)在(zai)芯(xin)片和DBC基(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)電(dian)鍍或(huo)連(lian)(lian)(lian)接不(bu)(bu)同(tong)(tong)高(gao)度(du)的(de)(de)微型金屬柱(zhu)（Micro-Metal Post）或(huo)銅頂針（Cu Pin）等，解(jie)決多(duo)芯(xin)片厚(hou)度(du)不(bu)(bu)同(tong)(tong)帶來的(de)(de)高(gao)度(du)差異問題[6]。第(di)四，錫基(ji)釬料(liao)是模(mo)塊(kuai)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)中最常用的(de)(de)互連(lian)(lian)(lian)材(cai)料(liao)，在(zai)雙面(mian)連(lian)(lian)(lian)接模(mo)塊(kuai)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)程中，通常需(xu)要多(duo)個連(lian)(lian)(lian)接步(bu)驟，這就(jiu)需(xu)要一(yi)組具有(you)(you)不(bu)(bu)同(tong)(tong)熔點的(de)(de)釬料(liao)，限制(zhi)了(le)模(mo)塊(kuai)的(de)(de)服役溫(wen)度(du)。因此在(zai)雙面(mian)連(lian)(lian)(lian)接封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou)(gou)中，具有(you)(you)高(gao)導熱、高(gao)導電(dian)和高(gao)熔點的(de)(de)燒(shao)結(jie)銀焊(han)膏成為了(le)互連(lian)(lian)(lian)材(cai)料(liao)的(de)(de)優先選(xuan)擇。

3.3  器件集成封裝

       器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝是(shi)在模(mo)塊里集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)多種功(gong)能(neng)的(de)(de)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)，例(li)如集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)門(men)極(ji)驅動(dong)電(dian)路(lu)(lu)、去(qu)耦電(dian)容(rong)、溫度傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)、電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)和保護電(dian)路(lu)(lu)等(deng)。器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝具有很多優點，例(li)如通過集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)門(men)極(ji)驅動(dong)電(dian)路(lu)(lu)和去(qu)耦電(dian)容(rong)，可以(yi)降(jiang)(jiang)低母排或模(mo)塊外部接(jie)插件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)寄生電(dian)感(gan)，縮短功(gong)率(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)和門(men)極(ji)驅動(dong)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)連接(jie)，降(jiang)(jiang)低門(men)極(ji)回路(lu)(lu)電(dian)感(gan)，實現(xian)抑制電(dian)磁干擾，提高均流(liu)性能(neng)和開(kai)關速度。但是(shi)該封(feng)裝結構也(ye)存在一定(ding)的(de)(de)局限性，例(li)如，集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)門(men)極(ji)驅動(dong)電(dian)路(lu)(lu)一般比較(jiao)簡單(dan)，模(mo)塊的(de)(de)整體尺寸(cun)、載流(liu)能(neng)力和開(kai)關頻率(lv)受(shou)各(ge)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)限制。此外，在器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝之(zhi)(zhi)前，需要檢驗各(ge)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)耐溫性能(neng)，避免因為(wei)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)距離太近，影響(xiang)溫度敏感(gan)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)正(zheng)常(chang)工作。

3.4   三維功率集成封裝

       三(san)維集成封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)結構(gou)形(xing)式如圖(tu)6所(suo)示，三(san)維封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)結構(gou)主要分為疊層(ceng)型三(san)維封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)和埋置(zhi)型三(san)維封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)，是在(zai)二維封(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)的基(ji)礎(chu)上，采(cai)用引(yin)線鍵(jian)合、倒裝(zhuang)(zhuang)芯片、微凸點、球珊陣列（Ball Grid Array，BGA）、硅通孔（Through Silicon Via，TSV）、PCB埋置(zhi)等工藝技術，在(zai)垂(chui)直(zhi)方向上實現多芯片的疊層(ceng)互連。

        在疊層型三維封裝中，硅通孔是最受關注的技術之一，是利用穿透襯底的硅通孔的垂直互連，實現不同芯片之間的電氣互連。硅通孔封裝關鍵技術包括硅通孔成形、填充、芯片減薄和互連等。具體步驟為：首先通過激光打孔、干法刻蝕或濕法刻蝕形成通孔，然后采用化學氣相沉積等方法填充SiO2絕緣層和銅導電層，其次通過磨削加工減薄芯片，最后通過金屬間鍵合或粘接等方法實現芯片互連。與傳統平面二維引線互連結構相比，硅通孔三維結構具有尺寸小、重量輕、硅片使用效率高、縮短信號延遲同時降低功耗等優點，被廣泛應用于三維晶圓級、系統級和集成電路封裝中。但它也存在一定的局限性，第一是可靠性，硅通孔封裝結構的功率密度高，疊層芯片的熱管理問題較大；第二是成本高，封裝結構、工藝和測試復雜。

        埋置型(xing)三維封裝，是(shi)采用銅線和微孔代(dai)替鍵(jian)合引線，將芯片嵌入(ru)在PCB層(ceng)壓(ya)板(ban)(ban)中，可(ke)以(yi)縮小體(ti)積、提高可(ke)靠性(xing)(xing)，并且易于(yu)(yu)系統(tong)集成。此(ci)結構面(mian)臨最大的(de)(de)(de)(de)挑戰(zhan)是(shi)熱-機械性(xing)(xing)能較差，受限于(yu)(yu)傳統(tong)PCB材(cai)料的(de)(de)(de)(de)低(di)玻(bo)璃(li)轉(zhuan)化(hua)溫(wen)度和高CTE帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)熱-機械應力，其(qi)服役溫(wen)度較低(di)。此(ci)外，FR4-PCB層(ceng)壓(ya)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)剝離強(qiang)度較低(di)，約為(wei)0.9~1.25 N/mm，相比(bi)于(yu)(yu)DBC基板(ban)(ban)，PCB板(ban)(ban)嵌入(ru)式封裝的(de)(de)(de)(de)模塊(kuai)可(ke)以(yi)承受的(de)(de)(de)(de)額定(ding)功(gong)率(lv)較低(di)。

        除(chu)了(le)上述焊接式連接之外，還可以(yi)通過壓(ya)(ya)(ya)接形成(cheng)(cheng)三維封裝，典型案例如(ru)圖7所示，為西碼(ma)（Westcode）IGBT壓(ya)(ya)(ya)接模(mo)塊內(nei)部結(jie)構(gou)(gou)圖，各(ge)組(zu)件由外部施加的機(ji)械壓(ya)(ya)(ya)力取代引線、釬焊或燒結(jie)形成(cheng)(cheng)物(wu)理連接，結(jie)構(gou)(gou)簡單(dan)、成(cheng)(cheng)本(ben)較低(di)(di)、可靠性高(gao)，在高(gao)壓(ya)(ya)(ya)大電(dian)(dian)流電(dian)(dian)網中(zhong)得到(dao)了(le)廣泛(fan)應用。但(dan)是在壓(ya)(ya)(ya)接模(mo)塊中(zhong)，對模(mo)塊的內(nei)部尺寸、各(ge)組(zu)件的平整(zheng)度和(he)(he)(he)表(biao)面質量要(yao)求(qiu)高(gao)，接頭的導熱(re)和(he)(he)(he)導電(dian)(dian)性能(neng)受壓(ya)(ya)(ya)力大小和(he)(he)(he)均勻(yun)性的影響很大，需要(yao)選(xuan)擇(ze)合適的合模(mo)壓(ya)(ya)(ya)力來保證較小的接觸電(dian)(dian)阻(zu)和(he)(he)(he)接觸熱(re)阻(zu)，但(dan)會不可避(bi)免地受到(dao)表(biao)面粗糙度和(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)變形的影響。在壓(ya)(ya)(ya)接結(jie)構(gou)(gou)中(zhong)常引入(ru)CTE較小的彈(dan)性緩沖(chong)結(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)(he)材料(liao)，如(ru)Mo或Be墊片(pian)、彈(dan)簧(huang)片(pian)等，來均勻(yun)壓(ya)(ya)(ya)力、降(jiang)低(di)(di)熱(re)-機(ji)械應力，提高(gao)可靠性。

 

結束語

       功率電子(zi)封裝的關(guan)鍵(jian)材(cai)料、連接技術和(he)結構設計，逐漸向去除引線、提高散熱性能、提高集(ji)成密度等方(fang)向發(fa)(fa)展，來(lai)滿足高溫(wen)、高壓、高頻環境的可靠應用。隨著第(di)三(san)代半導(dao)體器件的推廣應用，硅通孔技術、三(san)維集(ji)成封裝結構等是未來(lai)發(fa)(fa)展的主要趨勢，相(xiang)信其應用前景無(wu)限廣闊。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。