功率器件的封裝技術(shù)與功率器件的開(kāi)發(fā)緊密相關(guān)。特別是在中高壓應(yīng)用中,由于Si半導(dǎo)體功率器件的性能已經(jīng)達(dá)到極限,因此SiC之類寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的開(kāi)發(fā)受到大力推動(dòng)。要發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)越性,封裝技術(shù)非常重要。由于寬禁帶半導(dǎo)體擊穿場(chǎng)強(qiáng)高,高電壓的跨距很短,所以就封裝而言,這意味著功率器件的塑封絕緣材料要承受很高的局部電場(chǎng)。此外,由于其優(yōu)勢(shì)在于低導(dǎo)通電阻,所以用于導(dǎo)出電流的引線和連接端子也需要低電阻。使用寬禁帶半導(dǎo)體,高電壓功率器件也可以使用MOSFET和肖特基二極管等單極型器件。由于單極型器件不受累積的少數(shù)載流子的影響,因此可以進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)操作,所以設(shè)計(jì)電路布線時(shí),必須減少其寄生參數(shù)。此外,由于禁帶寬度大,所以可以在高結(jié)溫下工作。已有在400℃以上的溫度下工作的報(bào)道,這比常規(guī)的Si器件的150~200℃的溫度高得多。就系統(tǒng)重量、體積、成本和熱管理而言,高溫工況是有利的,但是必須確保芯片貼裝和密封材料在高溫下的可靠性。此外,寬禁帶半導(dǎo)體的高熱導(dǎo)率可以減小器件芯片的熱阻,因此,封裝的散熱效率也成為一個(gè)問(wèn)題。還有,為了增加功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功率密度,必須實(shí)現(xiàn)功率模塊的集成。換句話說(shuō),系統(tǒng)級(jí)封裝(System In Package, SIP)要求模塊不僅要包含主電路開(kāi)關(guān)器件,而且還一起封入具有不同功能的多個(gè)部件,例如柵極驅(qū)動(dòng)器、電壓/電流傳感器、保護(hù)電路和緩沖電路等。通過(guò)采用寬禁帶半導(dǎo)體,可以在相同電流水平下減小功率器件的芯片尺寸,但這也增加了熱密度。這意味著必須通過(guò)封裝有效地散發(fā)功率器件芯片產(chǎn)生的熱量。另外,在SIP的情形下,必須注意功率器件產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的溫度升高對(duì)外圍柵極驅(qū)動(dòng)器等的影響,其設(shè)計(jì)和應(yīng)用必須使其工作溫度在規(guī)格范圍內(nèi)。如上所述,利用寬禁帶半導(dǎo)體,必須同時(shí)認(rèn)真考慮功率器件的電特性和熱特性。因此,對(duì)于封裝和安裝,有必要開(kāi)發(fā)與這些熱特性和電特性兼容的材料和結(jié)構(gòu)。
當(dāng)前,在使用Si半導(dǎo)體的功率器件的分立器件和功率模塊中,無(wú)鉛焊料和環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)用于功率器件的芯片貼裝和密封。但是,這些材料不足以滿足寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的高溫等極端工況應(yīng)用需求。對(duì)貼裝材料要求熔點(diǎn)在300℃以上,對(duì)于密封樹(shù)脂材料,為了降低熱阻,則需要提高AIN等填充料的比例,以求從貼裝表面和器件表面都能增強(qiáng)散熱,同時(shí)還要保持黏附強(qiáng)度。
如上所述,為了發(fā)揮SiC等寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的潛力,封裝技術(shù)的支
持,器件、電路、系統(tǒng)配置以及協(xié)作技術(shù)的開(kāi)發(fā)都是很重要的。