功率電子封裝結構詳解

封裝技術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、結構支持和保護、提供散熱途徑等作用[4]。封裝作為模塊集成的核心環節，封裝材料、工藝和結構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主要是以銀膠或錫基釬料等連接材料、引線連接等封裝結構為主，耐高溫、耐高壓性能差，電磁兼容問題突出，無法提供高效的散熱途徑。近來，燒結銀互連材料、三維集成封裝結構等由于具有優異的耐高溫、高導熱性能，可以實現雙面散熱、大幅降低開關損耗，使得功率模塊具有良好的熱、電特性和可靠性，獲得了越來越多的研究和關注，有望滿足第三代半導體器件在高溫、高壓和高頻領域的可靠應用。本文針對功率電子封裝結構設計的最新研究進展進行了總結和展望。

封裝結構

根據芯片組裝方式和互連工藝的不同，功率電子封裝結構可分為焊接式封裝和壓接式封裝兩種形式。封裝結構的發展趨勢如圖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構。壓接式封裝是借助外界機械壓力形成互連結構。為了便于對比分析，將上述幾種封裝方式的優缺點列于表6[18]。引線鍵合具有技術成熟、成本低、布線靈活等優點。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，產生較大的熱-機械應力，使得焊點易疲勞失效，成為模塊在功率循環過程中最主要的失效形式。

圖4 封裝結構的發展趨勢[5]

表6 封裝結構對比[18]

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[5]。相比于二維封裝，三維封裝具有顯著的優點，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，提高開關性能，降低功率損耗;可以集成多種芯片和器件，如門極驅動電路、去耦電容、散熱器等，進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，如芯片疊層互連帶來的熱管理、生產工藝和良率等問題，制程工藝有待進一步完善[6,19]。

3.1 二次注塑封裝

二次注塑封裝結構是在傳統引線鍵合的封裝結構基礎上，將芯片直接粘接在引線框架上，去除了鍵合引線，并用環氧樹脂進行注塑封裝的結構。與引線鍵合的封裝結構相比，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，在電動汽車的整流器中得到廣泛應用。

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[20]、富士電機提出的銅針互連SiC功率模塊[21]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%[22]。

但雙面連接結構也有一些缺點。第一，相比于引線鍵合模塊，雙面連接結構具有更多層材料，加大了封裝工藝的復雜性。第二，各層材料的CTE不同，熱失配會產生更大的熱-機械應力，降低了連接層可靠性。為了降低熱-機械應力，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，在實現不同厚度的多芯片雙面連接的功率模塊時，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程中，通常需要多個連接步驟，這就需要一組具有不同熔點的釬料，限制了模塊的服役溫度。因此在雙面連接封裝結構中，具有高導熱、高導電和高熔點的燒結銀焊膏成為了互連材料的優先選擇。

圖5 雙面連接封裝結構[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，例如集成門極驅動電路、去耦電容、溫度傳感器、電流傳感器和保護電路等[18]。器件集成封裝具有很多優點，例如通過集成門極驅動電路和去耦電容，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動之間的連接，降低門極回路電感，實現抑制電磁干擾，提高均流性能和開關速度。但是該封裝結構也存在一定的局限性，例如，集成的門極驅動電路一般比較簡單，模塊的整體尺寸、載流能力和開關頻率受各集成器件的限制。此外，在器件集成封裝之前，需要檢驗各器件的耐溫性能，避免因為器件集成距離太近，影響溫度敏感器件的正常工作[5]。

3.4 三維功率集成封裝

三維集成封裝結構形式如圖6所示，三維封裝結構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上，采用引線鍵合、倒裝芯片、微凸點、球珊陣列(Ball Grid Array，BGA)、硅通孔(Through Silicon Via，TSV)、PCB埋置等工藝技術，在垂直方向上實現多芯片的疊層互連[25-27]。

(a)疊層型封裝：引線鍵合

(b)疊層型封裝：BGA焊球連接

(c)疊層型封裝：硅通孔連接

(d)疊層型封裝：芯片堆疊連接

(e)疊層型封裝：氣相沉積晶圓連接

(f)埋置型封裝：PCB埋置式連接圖6 三維集成封裝結構形式示意圖[6,29-31]

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[28]。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[29]。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，并且易于系統集成[30]。此結構面臨最大的挑戰是熱-機械性能較差，受限于傳統PCB材料的低玻璃轉化溫度和高CTE帶來的熱-機械應力，其服役溫度較低[18]。此外，FR4-PCB層壓板的剝離強度較低，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壓接模塊內部結構圖[32]，各組件由外部施加的機械壓力取代引線、釬焊或燒結形成物理連接，結構簡單、成本較低、可靠性高，在高壓大電流電網中得到了廣泛應用。但是在壓接模塊中，對模塊的內部尺寸、各組件的平整度和表面質量要求高，接頭的導熱和導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保證較小的接觸電阻和接觸熱阻，但會不可避免地受到表面粗糙度和結構變形的影響。在壓接結構中常引入CTE較小的彈性緩沖結構和材料，如Mo或Be墊片、彈簧片等，來均勻壓力、降低熱-機械應力，提高可靠性。