關于功率半導體器件（Si、SiC、GaN）封裝工藝及其市場核心應用的詳細分析。

引言

功率半導體是電力電子裝置的“心臟”，負責對電能進行轉換、控制和處理。傳統的硅（Si）基器件（如IGBT、MOSFET）已接近其材料理論極限。新一代的寬禁帶半導體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）——憑借其更高的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場和更高的熱導率等優異特性，正在掀起一場能源效率革命。

然而，“芯片”本身性能的發揮極度依賴于封裝技術。封裝不僅提供保護和連接，更是影響器件散熱能力、寄生參數（電感和電阻）、功率密度和可靠性的關鍵。

第一部分：功率半導體封裝工藝

封裝技術從傳統的焊接、引線鍵合，正向更高集成度、更低寄生參數和更好散熱性能的方向發展。以下是主流的和先進的封裝工藝：

1. 傳統封裝 (主要用于硅基器件，部分用于SiC)

• TO (Transistor Outline): 如TO-247、TO-220等。這是最經典的分立器件封裝，工藝成熟、成本低。但寄生電感較大，散熱能力有限，多用于中低功率領域。

• DIP/IPM (Dual In-line Package / Intelligent Power Module):

• DIP: 雙列直插式封裝，常見于老舊的低功率模塊。

• IPM: 智能功率模塊，將IGBT芯片、驅動電路、保護電路（過流、過熱、欠壓）等集成在一個封裝內。提高了系統的可靠性和緊湊性，廣泛應用于工業變頻、家電等。

2. 模塊化封裝 (Si IGBT/SiC Module的主流形式)

• 標準功率模塊: 采用直接覆銅（DBC/AMB）基板、芯片焊接、鋁線鍵合 和 硅凝膠填充 的經典結構。

• DBC (Direct Bonded Copper): 陶瓷基板（常用Al?O?或AlN）上下兩面與銅箔直接鍵合，絕緣性好，導熱能力強。

• AMB (Active Metal Brazing): 使用活性金屬釬焊工藝將銅箔與陶瓷（通常是導熱更好的Si?N?）焊接，結合強度更高，可靠性更好，特別適用于要求苛刻的SiC模塊。

• 問題: 傳統的鋁線鍵合是可靠性薄弱點，長期熱循環下易疲勞斷裂；寄生電感也較高。

3. 先進封裝與互連技術 (解決傳統封裝的痛點，尤其適用于高頻高速的SiC和GaN)

這些技術旨在減少或消除引線鍵合，降低寄生電感和電阻，提升散熱性能和功率密度。

• 芯片貼裝技術:

• 燒結 (Sintering): 使用納米銀燒結膏等材料，在高溫高壓下將芯片直接燒結在基板上。相比傳統軟釬焊（焊錫），燒結層具有接近銅的導熱率（~240 W/mK）和更高的熔點（>960°C），極大地改善了散熱能力和高溫可靠性。已成為高性能SiC模塊的標配。

• 互連技術:

• 柔性PCB互連: 使用柔性印刷電路板上的銅箔替代鍵合線，電感更低，可靠性更高。

• 金屬夾互連 (Cu Clip Bonding): 用一個預成型的銅片（Clip）同時連接多個芯片的源極/發射極，大幅減少鍵合線數量，降低寄生電感和電阻。常見于分立器件（如TOLL封裝）和模塊中。

• 雙面燒結 (Double-Sided Sintering): 芯片上下兩面均通過燒結與基板和頂板連接，完全消除了鍵合線。

• 銅線鍵合 (Cu Wire Bonding): 用銅線替代鋁線，導電和導熱性能更好，但需要更高的鍵合工藝要求。

• 引線鍵合替代技術:

• 平面互連技術:

• 封裝集成技術:

• 扇出型封裝 (Fan-Out): 源自消費電子芯片封裝，可將多個芯片（如GaN FET、驅動器和無源器件）集成在一個封裝體內，實現極高的功率密度和極小的寄生參數，非常適合高頻、緊湊的GaN應用。

• 嵌入式封裝 (Embedded): 將功率芯片嵌入到PCB層壓板中，實現超薄、高集成的解決方案。

4. 封裝材料演進

• 基板: 從Al?O? → AlN → Si?N? (AMB)，導熱能力不斷提升。

• 襯底: 從PCB → DBC → AMB，滿足更高功率和絕緣要求。

• 封裝外殼: 從塑料環氧樹脂 → 高性能工程塑料 → 陶瓷金屬密封，滿足高溫、高濕、高可靠性需求。

• 灌封膠: 從硅凝膠 → 環氧樹脂，提供更好的機械保護和絕緣。

第二部分：市場核心應用情況分析

三種材料因其物理特性的不同，在其優勢領域形成了互補和替代關系。

總結與展望

1. 材料分工趨于明確: Si 主導成熟、成本敏感型市場；SiC 主導高壓、高溫、高效率的新能源和工業能源領域；GaN 主導超高頻、高功率密度的消費電子和通信領域。三者長期共存并互補。

2. 封裝與芯片協同進化: 對于SiC和GaN，“芯片是基礎，封裝是關鍵”。先進的封裝技術（如燒結、AMB、Cu Clip、集成封裝）是釋放寬禁帶半導體性能潛力的必要前提。沒有先進的封裝，SiC和GaN的優勢將大打折扣。

3. 技術趨勢:

• 更高功率密度: 通過三維集成、雙面冷卻、芯片貼裝等技術，在更小體積內處理更大功率。

• 更低寄生參數: 通過平面互連、集成無源器件等方式，滿足高頻開關需求，減少開關損耗和電壓過沖。

• 更高可靠性: 采用燒結、AMB等新材料新工藝，提升器件在高溫、高功率循環下的壽命。

• 更高集成度: 將驅動、控制、傳感、保護與功率芯片集成，形成“系統級封裝（SiP）”，提供更完整的解決方案。

總而言之，功率半導體封裝工藝正經歷一場深刻的技術變革，以適配并充分發揮SiC和GaN的卓越性能，共同推動著交通電動化、能源綠色化和數字世界的高效運行。

功率半導體器件（Si、SiC、GaN）芯片清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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