摘要：傳統(tǒng)功率電子封裝主要以釬料連接和引線鍵合等二維平面封裝技術(shù)為主，無(wú)法滿足第三代半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、高溫下的可靠應(yīng)用。為了解決這一問題，二維平面封裝逐漸向三維集成封裝發(fā)展。對(duì)功率電子封裝技術(shù)中的關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。連接材料從錫基釬料逐漸發(fā)展為金基釬料、瞬態(tài)液相連接材料、燒結(jié)銀等高導(dǎo)熱、耐高溫材料，連接技術(shù)從引線鍵合逐漸發(fā)展為雙面冷卻、器件集成和垂直疊層互連等。通過(guò)去除引線提高開關(guān)性能，集成多種芯片和器件提高功率密度，雙面冷卻提高散熱效率。三維集成封裝具有巨大的市場(chǎng)潛力，將成為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

關(guān)鍵詞：功率電子封裝；封裝材料；封裝結(jié)構(gòu)；三維封裝；燒結(jié)銀；硅通孔

基金項(xiàng)目：深圳科創(chuàng)委項(xiàng)目（JCYJ20180508161601937）

功率電子器件正在向著高頻率、高密度、高功率和高溫應(yīng)用的方向發(fā)展[1]。目前，硅（Si）基器件仍占據(jù)主導(dǎo)地位，然而由于材料本身的特性，硅基器件的開關(guān)頻率、工作溫度和功率密度等受到了限制。相對(duì)于傳統(tǒng)硅基器件，第三代半導(dǎo)體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等器件，由于具有更高的擊穿電壓、更寬的能帶隙、更高的熱導(dǎo)率和更低的功率損耗，越來(lái)越多地應(yīng)用在如無(wú)線通訊、電動(dòng)汽車、航空航天等高電壓、高溫度和高頻率的應(yīng)用領(lǐng)域中[2-3]。但與此同時(shí)，第三代半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，也對(duì)封裝技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求。

封裝技術(shù)是一種將芯片與承載基板連接固定、引出管腳并將其塑封成整體功率器件或模塊的工藝，主要起到電氣連接、結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)、提供散熱途徑等作用[4]。封裝作為模塊集成的核心環(huán)節(jié)，封裝材料、工藝和結(jié)構(gòu)直接影響到功率模塊的熱、電和電磁干擾等特性。目前成熟的封裝技術(shù)主要是以銀膠或錫基釬料等連接材料、引線連接等封裝結(jié)構(gòu)為主，耐高溫、耐高壓性能差，電磁兼容問題突出，無(wú)法提供高效的散熱途徑。近來(lái)，燒結(jié)銀互連材料、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等由于具有優(yōu)異的耐高溫、高導(dǎo)熱性能，可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱、大幅降低開關(guān)損耗，使得功率模塊具有良好的熱、電特性和可靠性，獲得了越來(lái)越多的研究和關(guān)注，有望滿足第三代半導(dǎo)體器件在高溫、高壓和高頻領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。本文針對(duì)功率電子封裝材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的[敏感詞]研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

典型的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，由功率芯片、連接材料、鍵合引線、陶瓷基板、底板、灌封材料、外殼和功率端子等組成[3,5]。各封裝材料的熱、電、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)不同，因此在封裝時(shí)需要綜合考慮各材料的性能進(jìn)行選擇，使整個(gè)功率模塊達(dá)到最優(yōu)的性能。

圖1  典型的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)[5]

芯片粘接、連接和基板等關(guān)鍵封裝材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。連接技術(shù)從鍵合引線向帶狀、銅柱、引線框架和電鍍通孔等方向發(fā)展，通過(guò)去除引線、增大連接面積來(lái)提高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。芯片粘接材料從傳統(tǒng)錫焊向金基高溫釬焊、瞬態(tài)液相連接、燒結(jié)銀和燒結(jié)銅等方向發(fā)展，大幅提高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，滿足高溫可靠應(yīng)用?；逑蛑龊裉沾苫宓慕饘賹?dǎo)電導(dǎo)熱層發(fā)展，從而提高散熱效率[5]。

圖2  連接、基板和芯片粘接等封裝材料和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[5]

2.1  芯片材料

常用半導(dǎo)體材料的性能參數(shù)如表1所示[6-7]。Si因?yàn)榧夹g(shù)成熟和成本低等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用在各類分立器件和集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域。相比于Si，GaAs具備禁帶寬度大、電子遷移率高的特性，能顯著減小射頻尺寸、降低功耗，在射頻、無(wú)線通信和光電子領(lǐng)域的中低功率器件方面得到廣泛應(yīng)用。SiC和GaN具有更大的禁帶寬度，在高溫工作時(shí)不易吸收熱輻射能量跳變到導(dǎo)帶，并且具有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，所以寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN比Si更適用于高溫和高壓場(chǎng)合。SiC的熱導(dǎo)率更大，散熱能力更好，具有較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，并且耐高溫、耐高壓，因此常被用做功率器件，在電壓600 V及以上的高功率領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車和電力設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。GaN的電子遷移率和載流子速度更快，在高壓時(shí)的導(dǎo)通電阻和寄生參數(shù)更小，在高功率射頻方向具備明顯優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?/span>GaN具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持更寬帶寬等特點(diǎn)，主要用于5G通信和衛(wèi)星通訊等微波射頻領(lǐng)域、消費(fèi)電子快充和新能源汽車等電力電子領(lǐng)域以及LED光電子等領(lǐng)域。與SiC類似，目前GaN技術(shù)仍在快速發(fā)展階段，成本相對(duì)較高。

表1  半導(dǎo)體芯片材料的性能[6]

2.2  芯片粘接材料

SnPb合金釬料如Sn63Pb37，由于其優(yōu)異的性能，如較低的剪切模量，較高的潤(rùn)濕性、延展性、熱-機(jī)械性能和可靠性，曾被廣泛應(yīng)用于芯片粘接材料。但是SnPb不符合歐盟RoHS無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)，并且熔點(diǎn)較低（180 ℃左右），因此需要新的芯片粘接材料來(lái)滿足封裝結(jié)構(gòu)和材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配和耐高溫的應(yīng)用需求。

目前應(yīng)用最廣泛的芯片粘接材料如表2所示[8]。導(dǎo)電銀膠主要由樹脂基體、導(dǎo)電粒子（主要為銀粉）和分散添加劑、助劑等組成，其電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率相對(duì)較低，玻璃化溫度約為100~150℃，在高溫、高壓芯片封裝領(lǐng)域受到限制。與SnPb釬料相比，無(wú)鉛釬料如SnAg或SnAgCu等，Sn含量一般高于90％，熔點(diǎn)相對(duì)較高（220 ℃左右），在凝固過(guò)程中過(guò)冷度較大，容易形成粗大的樹枝晶組織及金屬間化合物，并呈不均勻分布，使其抗蠕變性減弱。此外，SnAgCu合金有較高的彈性模量，CTE與芯片和基板相差較大，在熱循環(huán)載荷作用下易發(fā)生疲勞破壞導(dǎo)致焊點(diǎn)剝離，降低了焊點(diǎn)可靠性[9]。

表2  芯片粘接材料性能[8]

高溫芯片粘接材料，如AuSn或AuGe等金基共晶合金釬料，具有較高的熔點(diǎn)（大于280 ℃）、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，并且容易實(shí)現(xiàn)無(wú)釬劑釬焊。然而，金基釬料中的金含量普遍較高，成本高昂，并且由于組成相具有高脆性，導(dǎo)致加工難度大、成品率低、產(chǎn)品性能差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響其在功率電子封裝領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用[10]。

瞬態(tài)液相連接（Transient Liquid Phase Bonding, TLPB）是在熔點(diǎn)較高的被連接母材（如Cu、Au、Ag、Ni）中間加入熔點(diǎn)較低的中間層（如In、Sn），加熱使中間層與部分母材熔化并重新凝固，固液之間互相擴(kuò)散而形成連接的過(guò)程。選擇合適的材料和工藝，瞬態(tài)液相連接可以形成性能優(yōu)異的接頭，如連接強(qiáng)度大于60 MPa[11]。但由于中間層的選擇較少、成本較高，以及Au-In等材料的氧化問題，瞬態(tài)液相連接在高溫芯片互連的應(yīng)用中受到較大限制。

燒結(jié)銀互連也稱為低溫連接技術(shù)，是基于納米銀或微米銀顆粒的固相原子擴(kuò)散形成燒結(jié)連接。燒結(jié)銀工藝溫度低（200~300℃），熔點(diǎn)高（961 ℃），具有如熱導(dǎo)率高、抗溫度循環(huán)和功率循環(huán)可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為高溫芯片互連的優(yōu)先選擇，得到了越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用[12]。但是燒結(jié)銀也有一些缺點(diǎn)，如成本較高，納米銀顆粒易低溫團(tuán)聚，微米銀焊膏需要加壓燒結(jié)，工藝復(fù)雜，并且需要芯片和基板表面進(jìn)行Ni/Au或Ni/Ag等金屬鍍層處理，以及存在銀容易發(fā)生電化學(xué)遷移等問題。相比于納米銀焊膏，納米銅焊膏由于成本較低，無(wú)電化學(xué)遷移的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，最近開始引起關(guān)注[13]。但納米銅顆粒易氧化，需要在惰性氣氛中燒結(jié)，增加了工藝復(fù)雜度和設(shè)備成本，具有一定的應(yīng)用局限性。

2.3  塑封材料

塑封材料的主要功能是電氣絕緣和環(huán)境隔離，起到防潮、防鹽霧、防霉、防塵、防碰撞和防振等防護(hù)作用，避免遭受環(huán)境的腐蝕與破壞，從而保證電子組件的電氣性能，甚至提高高壓功率模塊的電壓等級(jí)，避免電極放電，最終提高電子產(chǎn)品的可靠性[14]。塑封材料的種類和性能如表3所示，塑封材料可分為敷形涂料（Conformal Coatings）、底部填充膠（Underfills）、模塑料（Molding Compounds）、灌封膠（Potting Compounds）和頂部包封膠（Glob Tops）[14]。

表3  塑封材料的種類和性能[14]

敷形涂料是一種常用于印制線路表面防護(hù)的有機(jī)涂料，需要與基板和組件有良好的連接性能。一般選擇具有低吸水率、高介電強(qiáng)度、匹配的CTE、低彈性模量的材料，如可在小于120 ℃低溫使用的丙烯酸，在小于165 ℃中低溫使用的聚氨酯，在小于200 ℃中溫使用的環(huán)氧樹脂，以及可在大于250 ℃高溫使用的硅樹脂、聚對(duì)二甲苯、苯并環(huán)丁烯和聚酰亞胺等。

底部填充膠和模塑料如圖3所示，其作用除了可以與周圍環(huán)境隔離和降低電場(chǎng)應(yīng)力，還可以通過(guò)降低或重新分布由CTE不匹配帶來(lái)的熱-機(jī)械應(yīng)力來(lái)提高封裝產(chǎn)品的可靠性[14]。因此，應(yīng)該盡可能選擇與封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)各組件CTE相匹配的材料，如CTE為(20~30)×10-6/K和小于20×10-6/K的硬質(zhì)材料分別作為底部填充膠和模塑料來(lái)分別降低來(lái)自焊錫球以及包括焊錫球在內(nèi)的整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力。目前，最常用的底部填充膠和模塑料為二氧化硅填充的環(huán)氧樹脂。

灌封膠和頂部包封膠除了提高抗電場(chǎng)擊穿的電壓等級(jí)和避免周圍環(huán)境的腐蝕與破壞等，還對(duì)封裝結(jié)構(gòu)起到一定的機(jī)械支撐作用。目前最常用的灌封膠和頂部包封膠材料為可在小于165 ℃低溫應(yīng)用的聚氨酯，在小于200 ℃中溫應(yīng)用的環(huán)氧樹脂，以及在小于300 ℃高溫應(yīng)用的硅橡膠或凝膠等。其中硅橡膠或凝膠等軟質(zhì)材料由于具有較低的硬度和模量、較高的塑性和彈性，對(duì)芯片、鍵合線等封裝組件的應(yīng)力影響較小，得到了最廣泛的應(yīng)用。但硅橡膠和凝膠等軟質(zhì)材料的機(jī)械支撐和保護(hù)性能較差。為了抵抗外部沖擊，可以選擇樹脂等硬質(zhì)材料。但是樹脂通常具有較高的模量，需要選擇CTE匹配的材料，避免對(duì)整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)帶來(lái)過(guò)大的熱-機(jī)械應(yīng)力。

（b）模塑料示意圖

圖3  功率電子封裝結(jié)構(gòu)中的底部填充膠和模塑料示意圖[14]

2.4  基板與底板材料

一般來(lái)說(shuō)，基板是一個(gè)“金屬導(dǎo)電層-絕緣層-金屬導(dǎo)電層”的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層金屬導(dǎo)電層分別用于芯片和底板的互連。根據(jù)制造工藝，基板可分為直接覆銅基板（Direct Bonded Copper，DBC）、直接電鍍基板（Direct Printed Copper，DPC）、直接覆鋁基板（Direct Bonded Aluminum，DBA）、活性金屬釬焊基板（Active Metal Brazing，AMB）、絕緣金屬基板（Insulated Metal Substrate，IMS）以及厚膜印刷基板（Thick-film Printed Copper，TPC）等。

DBC基板是在銅膜上采用薄氧化銅與陶瓷形成共晶連接，其兼具優(yōu)異的性能和相對(duì)較低的成本，在功率電子封裝中得到了最廣泛的應(yīng)用。然而，陶瓷連接界面處的氧化銅薄膜容易分層，造成DBC基板的抗溫度循環(huán)可靠性較低。AMB基板是采用活性金屬釬焊將金屬和陶瓷連接在一起，可以消除氧化層，提高可靠性。DBA基板是采用AlSi釬焊來(lái)連接鋁板和陶瓷，相對(duì)于DBC的銅層來(lái)說(shuō)，鋁層的硬度更低，可以承受更高的熱-機(jī)械應(yīng)力，提高可靠性[15]。但鋁的熱導(dǎo)率比銅低，DBA基板的散熱性能不如DBC基板。IMS基板包括一層高導(dǎo)熱的絕緣樹脂、一層銅底板和厚銅膜。與DBC相比，IMB制造工藝簡(jiǎn)單、熱處理溫度低、成本低、可靠性高。TPC基板是在陶瓷上絲網(wǎng)印刷一層銅膏，通過(guò)在850~950 ℃高溫?zé)Y(jié)，形成金屬膜與陶瓷的高強(qiáng)度連接，溫度循環(huán)可靠性較高，可與集成電路芯片和無(wú)源器件高度集成來(lái)形成混合模塊。最近也出現(xiàn)了基于厚引線框架-薄絕緣層的基板，簡(jiǎn)化了多層基板結(jié)構(gòu)，提高了散熱效率[5]。

綜合考慮熱導(dǎo)率和CTE等，Al2O3、Si3N4、AlN和BeO是基板中最常用的陶瓷材料，其性能比較見表4[8,16]。BeO具有[敏感詞]的熱導(dǎo)率，但是制備過(guò)程中的微塵對(duì)人體有害，導(dǎo)致其應(yīng)用受到很大限制。Al2O3是最經(jīng)濟(jì)的選擇，但是機(jī)械強(qiáng)度適中，導(dǎo)熱性能相對(duì)較差。AlN的熱導(dǎo)率比Al2O3更高，CTE與芯片更匹配。Si3N4具有更高的溫度循環(huán)可靠性，但成本相對(duì)較高[17]。相對(duì)而言，Al-AlN和Cu-Si3N4的組合可靠性更高，其原因是前者鋁材料較軟，彈性模量較低，容易變形，可以減緩熱應(yīng)力對(duì)陶瓷造成的損傷；后者Si3N4的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性較大，可以抵抗銅帶來(lái)的熱應(yīng)力。

表4  基板中的陶瓷材料性能[8]

最常用的底板材料為Cu，為了降低CTE和保證高熱導(dǎo)率，金屬?gòu)?fù)合材料如AlSiC、W-Cu、Mo-Cu、以及Cu-Mo-Cu也得到廣泛應(yīng)用，其性能參數(shù)見表5[8]。底板一般會(huì)做鍍鎳處理，可以防止高溫下銅原子的遷移和氧化，提高銅底板的強(qiáng)度和變形抗力。

表5  底板材料性能[8]

根據(jù)芯片組裝方式和互連工藝的不同，功率電子封裝結(jié)構(gòu)可分為焊接式封裝和壓接式封裝兩種形式。封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)如圖4所示，其中焊接式封裝可以采用引線鍵合、倒裝芯片（BGA互連）、金屬柱互連、凹陷陣列互連、沉積金屬膜互連等結(jié)構(gòu)。壓接式封裝是借助外界機(jī)械壓力形成互連結(jié)構(gòu)。為了便于對(duì)比分析，將上述幾種封裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)列于表6[18]。引線鍵合具有技術(shù)成熟、成本低、布線靈活等優(yōu)點(diǎn)。然而，引線鍵合的模塊具有較高的寄生電感，只能從底板單面散熱[18]。并且，由于鍵合引線和芯片的CTE不匹配，產(chǎn)生較大的熱-機(jī)械應(yīng)力，使得焊點(diǎn)易疲勞失效，成為模塊在功率循環(huán)過(guò)程中最主要的失效形式。

圖4  封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[5]

表6  封裝結(jié)構(gòu)對(duì)比[18]

目前功率電子封裝結(jié)構(gòu)逐漸從傳統(tǒng)的引線鍵合標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（3D Power Integration）發(fā)展。通過(guò)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(jié)構(gòu)為緊湊型平面封裝，易于批量模塊生產(chǎn)；雙面連接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱，提高散熱效率；器件集成結(jié)構(gòu)可以將多種功能集成在模塊內(nèi)部，提高開關(guān)速度；三維功率集成結(jié)構(gòu)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(guān)性能[5]。相比于二維封裝，三維封裝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如可以在垂直方向上大大縮短回路距離，降低寄生電感和電磁干擾，提高傳輸速度，提高開關(guān)性能，降低功率損耗；可以集成多種芯片和器件，如門極驅(qū)動(dòng)電路、去耦電容、散熱器等，進(jìn)一步提高功率集成密度，縮小封裝體積。但是，三維封裝目前也面臨一些挑戰(zhàn)，如芯片疊層互連帶來(lái)的熱管理、生產(chǎn)工藝和良率等問題，制程工藝有待進(jìn)一步完善[6,19]。

3.1  二次注塑封裝

二次注塑封裝結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將芯片直接粘接在引線框架上，去除了鍵合引線，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行注塑封裝的結(jié)構(gòu)。與引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)相比，注塑封裝的芯片頂部連接面積增大，使得散熱效率提高；寄生電感降低，使得功率損耗降低，并且非常利于模塊化批量生產(chǎn)，在電動(dòng)汽車的整流器中得到廣泛應(yīng)用。

3.2  雙面連接封裝

雙面連接結(jié)構(gòu)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[20]、富士電機(jī)提出的銅針互連SiC功率模塊[21]等，可以達(dá)到去除鍵合引線的目的。雙面連接封裝結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）消除發(fā)射極表面的引線鍵合，有效降低寄生電感，減小電壓過(guò)沖和功率損耗，提高開關(guān)性能；（2）實(shí)現(xiàn)芯片上下兩個(gè)方向散熱，提高散熱效率，有效降低芯片結(jié)溫，從而減緩失效。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(tǒng)的引線鍵合模塊，其電感降低62%，開關(guān)損耗降低50%~90%，散熱效率提高40%~50%[22]。

但雙面連接結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)。[敏感詞]，相比于引線鍵合模塊，雙面連接結(jié)構(gòu)具有更多層材料，加大了封裝工藝的復(fù)雜性。第二，各層材料的CTE不同，熱失配會(huì)產(chǎn)生更大的熱-機(jī)械應(yīng)力，降低了連接層可靠性。為了降低熱-機(jī)械應(yīng)力，一些與芯片CTE匹配的金屬，如Mo或Cu/Mo/Cu[23]等被用作中介層材料。第三，在實(shí)現(xiàn)不同厚度的多芯片雙面連接的功率模塊時(shí)，如圖5所示，需要可以在芯片和DBC基板之間電鍍或連接不同高度的微型金屬柱（Micro-Metal Post）或銅頂針（Cu Pin）等，解決多芯片厚度不同帶來(lái)的高度差異問題[6]。第四，錫基釬料是模塊封裝中最常用的互連材料，在雙面連接模塊封裝過(guò)程中，通常需要多個(gè)連接步驟，這就需要一組具有不同熔點(diǎn)的釬料，限制了模塊的服役溫度。因此在雙面連接封裝結(jié)構(gòu)中，具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電和高熔點(diǎn)的燒結(jié)銀焊膏成為了互連材料的優(yōu)先選擇。

圖5  雙面連接封裝結(jié)構(gòu)[6]

3.3  器件集成封裝

器件集成封裝是在模塊里集成多種功能的器件，例如集成門極驅(qū)動(dòng)電路、去耦電容、溫度傳感器、電流傳感器和保護(hù)電路等[18]。器件集成封裝具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如通過(guò)集成門極驅(qū)動(dòng)電路和去耦電容，可以降低母排或模塊外部接插件的寄生電感，縮短功率器件和門極驅(qū)動(dòng)之間的連接，降低門極回路電感，實(shí)現(xiàn)抑制電磁干擾，提高均流性能和開關(guān)速度。但是該封裝結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性，例如，集成的門極驅(qū)動(dòng)電路一般比較簡(jiǎn)單，模塊的整體尺寸、載流能力和開關(guān)頻率受各集成器件的限制。此外，在器件集成封裝之前，需要檢驗(yàn)各器件的耐溫性能，避免因?yàn)槠骷删嚯x太近，影響溫度敏感器件的正常工作[5]。

3.4   三維功率集成封裝

三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，三維封裝結(jié)構(gòu)主要分為疊層型三維封裝和埋置型三維封裝[24]，是在二維封裝的基礎(chǔ)上，采用引線鍵合、倒裝芯片、微凸點(diǎn)、球珊陣列（Ball Grid Array，BGA）、硅通孔（Through Silicon Via，TSV）、PCB埋置等工藝技術(shù)，在垂直方向上實(shí)現(xiàn)多芯片的疊層互連[25-27]。

圖6  三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式示意圖[6,29-31]

在疊層型三維封裝中，硅通孔是最受關(guān)注的技術(shù)之一，是利用穿透襯底的硅通孔的垂直互連，實(shí)現(xiàn)不同芯片之間的電氣互連[28]。硅通孔封裝關(guān)鍵技術(shù)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(guò)激光打孔、干法刻蝕或濕法刻蝕形成通孔，然后采用化學(xué)氣相沉積等方法填充SiO2絕緣層和銅導(dǎo)電層，其次通過(guò)磨削加工減薄芯片，最后通過(guò)金屬間鍵合或粘接等方法實(shí)現(xiàn)芯片互連[29]。與傳統(tǒng)平面二維引線互連結(jié)構(gòu)相比，硅通孔三維結(jié)構(gòu)具有尺寸小、重量輕、硅片使用效率高、縮短信號(hào)延遲同時(shí)降低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于三維晶圓級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和集成電路封裝中。但它也存在一定的局限性，[敏感詞]是可靠性，硅通孔封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、工藝和測(cè)試復(fù)雜。

埋置型三維封裝，是采用銅線和微孔代替鍵合引線，將芯片嵌入在PCB層壓板中，可以縮小體積、提高可靠性，并且易于系統(tǒng)集成[30]。此結(jié)構(gòu)面臨[敏感詞]的挑戰(zhàn)是熱-機(jī)械性能較差，受限于傳統(tǒng)PCB材料的低玻璃轉(zhuǎn)化溫度和高CTE帶來(lái)的熱-機(jī)械應(yīng)力，其服役溫度較低[18]。此外，FR4-PCB層壓板的剝離強(qiáng)度較低，約為0.9~1.25 N/mm，相比于DBC基板，PCB板嵌入式封裝的模塊可以承受的額定功率較低[3]。

除了上述焊接式連接之外，還可以通過(guò)壓接形成三維封裝，典型案例如圖7所示，為西碼（Westcode）IGBT壓接模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[32]，各組件由外部施加的機(jī)械壓力取代引線、釬焊或燒結(jié)形成物理連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、可靠性高，在高壓大電流電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是在壓接模塊中，對(duì)模塊的內(nèi)部尺寸、各組件的平整度和表面質(zhì)量要求高，接頭的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能受壓力大小和均勻性的影響很大，需要選擇合適的合模壓力來(lái)保證較小的接觸電阻和接觸熱阻，但會(huì)不可避免地受到表面粗糙度和結(jié)構(gòu)變形的影響。在壓接結(jié)構(gòu)中常引入CTE較小的彈性緩沖結(jié)構(gòu)和材料，如Mo或Be墊片、彈簧片等，來(lái)均勻壓力、降低熱-機(jī)械應(yīng)力，提高可靠性。

圖7  西瑪?shù)?/span>IGBT壓接模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6,32]

功率電子封裝的關(guān)鍵材料、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐漸向去除引線、提高散熱性能、提高集成密度等方向發(fā)展，來(lái)滿足高溫、高壓、高頻環(huán)境的可靠應(yīng)用。隨著第三代半導(dǎo)體器件的推廣應(yīng)用，燒結(jié)銀焊膏連接材料、硅通孔技術(shù)、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，相信其應(yīng)用前景無(wú)限廣闊。

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