《微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书 功率半导体器件封装技术》朱正宇，王可，蔡志匡，肖广源编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书 功率半导体器件封装技术》

【作　者】朱正宇，王可，蔡志匡，肖广源编

【丛书名】微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书

【页 数】 230

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2022.08

【ISBN号】978-7-111-70754-7

【价 格】99.00

【分 类】功率半导体器件-封装工艺

【参考文献】 朱正宇，王可，蔡志匡，肖广源编. 微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书 功率半导体器件封装技术. 北京：机械工业出版社, 2022.08.

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图书目录：

《微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书 功率半导体器件封装技术》内容提要：

本书主要阐述了功率半导体器件封装技术的发展历程及其涉及的材料、工艺、质量控制和产品认证等方面的基本原理和方法。同时对功率半导体器件的电性能测试、失效分析、产品设计、仿真应力分析和功率模块的封装技术做了较为系统的分析和阐述，也对第三代宽禁带功率半导体器件的封装技术及应用于特殊场景（如汽车和航天领域）的功率器件封装技术及质量要求进行了综述。通过对本书的学习，读者能够了解和掌握功率半导体器件的封装技术和质量要求，由此展开并理解各种封装技术的目的、特点和应用场合，从而深刻理解功率半导体器件的封装实现过程及其重要性。 本书可作为各大专院校微电子、集成电路及半导体封装专业开设封装课程的规划教材和教辅用书，也可供工程技术人员及半导体封装从业人员参考。

《微电子与集成电路先进技术丛书 半导体与集成电路关键技术丛书 功率半导体器件封装技术》内容试读

第1章功率半导体封装的定义和分类

1.1半导体的封装

如前言所述，半导体封装在半导体产品走向应用的过程中起着承前启后的作用，一般来说，封装主要提供以下作用：

1)保护芯片，使其免受外界损伤；

2)重新分配输入/输出(I/0),为后续的板级装配提供足够的空间；

3)对多芯片内互联，可以使用标准的内互联技术进行互联，也可采用其他互联方式来实现电气性能从芯片向外界传递的功能

4)为芯片提供一定的耐受性保护要求，满足温度、压力或化学等环境条件下的使用要求。

按照不同的解读方式，封装可以分为以下几种：

l)按照和PCB连接方式的不同分为通孔直插式封装(Through Hole Technolo-罗，THT)和表面贴片式封装(Surface Mount Technology,SMT)。2)按照封装材料分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装。

集成电路早期的封装材料是采用有机树脂和蜡的混合体，用充填或灌注的方法来实现封装的，显然可靠性很差。也曾应用橡胶来进行密封，由于其耐热、耐油及电性能都不理想而被淘汰。使用广泛、性能最为可靠的气密密封材料是玻璃一金属封接、陶瓷-金属封接和低熔玻璃-陶瓷封接。出于大量生产和降低成本的需要，塑料模型封装开始大量涌现，它是以热固性树脂通过模具进行加热、加压来完成的，其可靠性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件，但由于其耐热性较差同时具有吸湿性，还不能与其他封接材料性能相当，尚属于半气密或非气密的封接材料。

集成电路发展初期，其封装主要是在半导体晶体管的金属圆形外壳基础上增加外引线数而形成的。但金属圆形外壳的引线数受结构的限制不可能无限增多，而且这种封装引线过多也不利于集成电路的测试和安装，从而出现了扁平式封装。而扁平式封装不易焊接，随着波峰焊技术的发展又出现了双列式封装。由于军事技术的发展和整机小型化的需要，集成电路的封装又有了新的变化，相继产生了片式载体封装、四面引线扁平封装、针栅阵列封装、载带自动焊接封装等。同时，为了适应集成电路发展的需要，还出现了功率型封装、混合集成电路封装，以及适应某些特定环境和要求的恒温封装、抗辐照封装和光电封装。并且各类封装逐步形成系列，

功率半导体器件封装技米

引线数从几条直到上千条，已能够充分满足集成电路发展的需要。3)按使用环境要求分，可以分为抗辐射封装、常温封装；

4)按照应用和封装外形分为功率型封装、混合集成电路封装、光电封装、存

储器封装、处理器封装等，比如，TO封装、模块封装，DIP、SOP、PLCC、QFP、

QFN、BGA、CSP、Fip-Chip,以及COG、COF等不同封装类型，可以有交叉，也可以只是单一的品种。

我们所介绍的封装主要是功率型封装，从材料上讲涵盖了塑封、陶瓷和多种基板类型；从安装方法来说既有直插式也有表面贴装式。所谓功率型封装是指应用于功率场所的封装，和一般集成电路封装有明显的区别是功率器件一般工作在大电流、高电压的应用场景，因此散热是功率封装首先需要考虑和解决的问题，其次是材料的选择和相应的工艺路线。功率半导体器件是电力电子应用产品的基础。近年来，由于器件被应用的需求所激励，发展很迅速。一代新器件总会带动一代新装置登上应用的舞台，使之体积更小，质量更轻，更加安全可靠，更加节能，并开拓出更新的应用领域。半导体分立器件作为半导体器件基本产品门类之一，是介于电子整机行业和原材料行业之间的中间产品，是电子信息产业的基础和核心领域之一。近年来，随着全球范围内电子信息产业的快速发展壮大，半导体分立器件特别是功率半导体分立器件市场一直保持较好的发展势头。这些器件是以功率集成为特点的，有单芯片上的功率集成，也有功率器件与控制电路的模块集成，有功率、数字和模拟电路构成子系统的多芯片集成，有封装时将多个功能不同的芯片集成在一个外壳或一个模块里的集成。图1-1是功率封装的发展路线图。

模块系列

QFN/DFN系列

TO系列

图1-1功率封装的发展路线图

第1章功率半导体封装的定义和分类3

功率半导体封装主要包括三大类：

T0系列：T0220,T0251/252,T0263,T0247等系列；

QFN/DFN系列：包括MOSFET和多芯片Dr.MOS系列，采用铜片（Clip)工艺的散热和电性能更优秀；

模块系列：从智能功率模块(Integrated Power Module,PM)到大功率模块系列。

下面就对这些封装的异同和特点展开详细介绍。

1.2功率半导体器件的定义

功率半导体器件又称电力电子器件，包括功率分立器件和功率集成电路，用

于对电流、电压、频率、相位、相数等进行变换和控制，以实现整流(AC/DC)

逆变(DC/AC)、斩波(DC/DC)、开关、放大等各种功能，是能耐高压或者能承

受大电流的半导体分立器件和集成电路。在功率电子电路，例如整流电路、变频调

速电路、开关电源电路、不间断电源(UPS)电路中，功率半导体器件一般都是起

开关作用，因为在开、关两个状态下半导体器件功率损耗较小。20世纪80年代以

后，随着新型功率半导体器件，如VDMOS器件、IGBT及功率集成电路的兴起，

功率半导体器件步入一个新的领域，除了驱动电机之外，还为信息系统提供电源的功能，这些应用也越来越引人注目。因此，功率半导体器件在系统中的地位已不仅限于“四肢”，而是为整个系统“供血”的“心脏”。

综合来看，使用功率半导体器件的根本目的，一是将电压、电流、频率转换为负载所需要的数值；二是更有效地利用电能。功率半导体器件的广泛应用可以实现对电能的传输转换及最佳控制，能够大幅度提高工业生产效率、产品质量和产品性能，大幅度节约电能、降低原材料消耗，它已经愈加明显地成为加速实现我国能源、通信、交通等量大面广基础产业的技术改造和技术进步的支柱。例如，在绿色

照明工程中，节能灯中使用的VDMOS产品将提高节能灯的性能及寿命，彻底纠正

节能灯在人们头脑中留下的寿命短、节电但不省钱的印象，使节能灯应用到千家万

户。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的出现及在空调、UPS等产品中的广泛应用，

采用变频技术后，效率得到大幅提高，同时体积也大幅缩小。如逆变焊机原来要两

个人才能拿动，采用了IGBT器件之后，体积只有书包大小，重量仅为几公斤，同

时其性能、效率及可靠性等也得到质的飞跃。

概括而言，功率半导体器件的技术领域可以划分为两大门类，即以发电、变电、输电为代表的电力领域和以电源管理应用为代表的电子领域。随着技术的进步，这两大领域的功率半导体器件正沿着不同的路线发展。在电力领域，功率半

导体器件以超大功率晶闸管、IGCT(集成门极换流晶闸管)技术为代表，继续向

高电压、大电流的方向发展；而在电子领域，电源管理器件则倾向于集成化、智能

功率半导体器件封装技术

化以及更高的频率和准确度。功率半导体器件的这两大技术领域由于用途各异，不存在谁替代谁的问题，这两个领域的技术发展是并行不悖的。图1-2简单归纳了功率半导体器件的分类。

规模集成电

功

率集成

集成功率模块

二极管

(IPM)

双极型品体管

路

(BJT)

导体器件

晶体管

功

+L,R,C,IC

功

大功率

金属氧化物半导体场

模块

晶体管

效应晶体管MOSFET)

夏

半导体器件分立器

专用大功率模块

(PM)

晶闸管

绝缘栅双极型晶体管

(IGBT)

图1-2功率半导体器件分类总图

1.3功率半导体发展简史

20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，晶闸管已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极关断晶闸管、双向晶闸管、光

控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS场效应晶体管、双极

型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。

各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端（阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端之间的电压外，无法控制其导通电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，故称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制器件的关断，故称全控型器件。后两类器件控制灵活、电路简单、开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输变电等电力电子装置中的核心部件。由这些器件构成的装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显（一般可节电10%~40%）。单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成

第1章功率半导体封装的定义和分类5

的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可以极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能分担同样的电流；器件并联时，则希望各元件能承受同样的正、反向电压。但由于器件的个体差异，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均流措施；在并联时，要采取均压措施。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。而封装提供了器件的散热通道，优秀的散热设计可以大幅提高器件的工作性能。散热冷却是封装要解决的主要问题，常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式（包括油冷式、水冷式）和蒸发冷却式等。

按照电力电子器件能够被控制电路的信号所控制的程度分类：1)半控型器件，例如晶闸管；

2)全控型器件，例如GTO(门极关断)晶闸管、GTR（电力晶体管)，MOS-

FET（金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT（绝缘栅双极型晶体管)；

3)不可控器件，例如电力二极管。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：

1)电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、STH（静电感应晶闸管)；

2)电流驱动型器件，例如晶闸管、门极关断晶闸管、GTR。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1)脉冲触发型，例如晶闸管、门极关断晶闸管；

2)电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT。

按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：

1)双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、门极关断晶闸管、GTR;

2)单极型器件，例如MOSFET、SIT;

3)复合型器件，例如MCT(MOS控制晶闸管)和IGBT。

各种功率器件的优缺点如下：

电力二极管：结构和原理简单，工作可靠：

晶闸管：能够承受的电压和电流容量在所有器件中最高；

MOSFET:优点是开关速度快，输人阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且

驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点是电流容量小，耐压低，

一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度；

GBT:优点是开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态

压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点是开关速度低于MOS

FET,电压、电流容量不及门极关断晶闸管；

6

功率半导体器件封装技术

GTR:优点是耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点

是开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题；

门极关断晶闸管：优点是电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点是电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。图1-3给出了传统硅基功率器件的应用范围。

汽车电子

光伏发电

白色家电

输电网

风力发电轨道交通

门极关断晶闸管

IGCT

变频器

不间断电源

103

品闸管

开关式电源

102

10

IGBT/IPM

硅基

10°

二极管

MOSFET

音频设备

102

10

10

108

开关频*Hz

图l-3传统硅基功率器件应用范围（来源Yole development)》

此外，近年来，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GN)材料为代表的第三代宽禁带半导体器件已成为功率半导体领域中未来的发展方向，它们的主要优势是可以做到高温、高频、高效、大功率和抗辐射能力强，目前是功率半导体领域的一个重点投资方向。

1.4半导体材料的发展

在科技不断进步的过程中，半导体材料的发展至今经历了三个阶段：

第一代半导体被称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中，硅基半导体技术应用比较广、技术比较成熟。截至目前，全球半导体产业99%以上的半导体芯片和器件都是以硅片为基础材料生产出来的。

在1950年左右，半导体材料却以锗为主导，主要应用于低压、低频及中功率晶体管中，但它的缺点也极为明显，那就是耐高温和抗辐射性能较差。

到了1960年，0.75in(19mm)单晶硅片的出现让锗基半导体的缺点被无限放大的同时，硅基半导体也彻底取代了锗基半导体的市场。

···试读结束···