功率器件封装结构的发展和应用原理

半导体技术的进步促进了电力电子器件的发展和应用,也使得芯片的尺寸得以不断缩小,促进封装技术的发展和进步,产生了多样化的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征,器件封

2023-05-10 09:08
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半导体技术的进步促进了电力电子器件的发展和应用,也使得芯片的尺寸得以不断缩小,促进封装技术的发展和进步,产生了多样化的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征,器件封装上呈现出模块化、多功能化和体积紧凑化的发展趋势。为实现封装器件低电感设计,器件封装结构更加紧凑,而芯片电压等级和封装模块的功率密度持续提高,给封装绝缘和器件散热带来挑战。另一方面,芯片尺寸的缩小也增加了芯片散热热阻,降低了热容,使得芯片结温升高, 结温波动更加明显,影响功率模块的可靠性。

       功率半导体作为电力电子系统的核心组成部分,已经广泛应用到生活、交通、电力、工业控制、航空航天、舰船等领域。功率器件正呈现出高频、高压、高功率以及高温的发展特点。同时这些特征也对功率器件封装提出了巨大挑战,需要考虑到封装结构、封装材料和封装工艺的可行性和适配性,倘若这些不能够很好的得到解决,就会对器件的热学、电学、机械性能和可靠性产生极大的影响,甚至导致器件的失效。

       尤其是在目前功率器件高电压、大电流和封装体积紧凑化的发展背景下,封装器件的散热问题已变得尤为突出且更具挑战性。芯片产生的热量会影响载流子迁移率而降低器件性能。此外,高温也会增加封装不同材料间因热膨胀系数不匹配造成的热应力,这将会严重降低器件的可靠性及工作寿命。结温过高将导致器件发生灾难性故障及封装材料因热疲劳和高温加速导致材料退化而造成的故障问题。因此,在非常有限的封装空间内,及时高效的把芯片的耗散热排放到外界环境中以降低芯片结温及器件内部各封装材料的温度,已成为未来功率器件封装设计过程中需要考虑的重要课题。伴随着电网规模越来越大,电压等级越来越高,电力系统朝着更加智能化方向发展,高压、大功率和高开关速度要求功率器件承担的功能也更加多样化,工作环境更加恶劣,在此背景下,除芯片自身需具有较高的处理能力外,器件封装结构已成为限制器件整体性能的关键。而传统的封装或受到材料性能的限制或因其自身结构设计不能适应高压大电流高开关速度应用所带来的高温和高散热要求。为保证器件在高压高功率工况下的安全稳定运行,开发结构紧凑、设计简单和高效散热的新型功率器件,成为未来电力系统用功率器件发展的必然要求。

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