功率半导体封装手艺

功率半导体封装是毗连芯片和外部电路的要害环节，具有实现电气毗连、提供机械支持、；ば酒约疤峁┥⑷韧ǖ赖戎饕π。

一、常见的封装类型

1. 分立式封装

• 普遍应用于小功率规模。这类封装的功率器件需要焊接到印刷电路板上，由于功率消耗相对较低，散热要求不高，通常不接纳内部绝缘，每个封装中只有一个开关。例如晶体管常接纳的TO（Transistor Outline）封装，像盛行的TO - 220和TO - 247封装形式。不过，TO封装保存一些缺陷，其寄生电阻和Ron（导通电阻）数目级相当，并且由于印刷电路板（PCB）的通孔是标准的，并且要知足和坚持引线之间的最小绝缘距离要求，不可简朴地通过增添引脚截面积来降低引脚的寄生电阻，只能通过优化引脚截面积的形状来改善。别的，为了降低本钱而使用铝线毗连，要改善电阻消耗，只能加粗导线或增添引线数目，但这样会带来杂散电感的问题。随着手艺生长，小功率器件也最先接纳外貌贴装手艺（SMT），如SOT、SOP等封装类型。

2. 
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• 适用于中大功率应用。关于更高功率需求，
  ？榉庾坝衅溆攀。例如在高功率规模，尚有一种压接封装（Press Packs）或饼形封装（Capsules）类型，主要应用于高功率规模且现在尚不可由功率
  ？槭迪值那樾。在极高功率规模中，功率芯片的巨细可以抵达整个晶圆的尺寸，此时具有圆形管脚的作育皿型封装成为适合圆形芯片的理想封装形式。在这种封装中，为了平衡压力并阻止压力峰值，介于两个金属片之间安排一个缓冲器件，钼是较量理想的金属质料，它具有高硬度和优异的热膨胀系数，硅芯片在阳极一侧与一块刚性的钼圆盘底座烧结在一起，然后在阴极一侧通过压接与第二个钼圆片毗连，使芯片位于封装内部的中心位置。

3. 新型封装手艺

• 随着手艺的生长，一直有新的封装手艺涌现。如银烧结、铜线键合等新质料和新工艺一直地被引入到功率半导体封装中。双面冷却封装、薄片压接式封装、多片式集乐成率
  ？橐灾乱熘识嘈酒β誓
  ？榈刃滦头庾笆忠找惨恢狈浩。这些新型封装手艺有助于提高功率半导体的性能、可靠性和散热能力等。

二、封装涉及的质料、工艺、质量控制和产品认证

1. 质料方面

• 差别的封装质料对功率半导体的性能有着主要影响。例如在一些高功率应用中，钼这种质料用于特定的封装结构中，是由于它具有高硬度和优异的热膨胀系数。封装质料还包括用于毗连芯片和引脚的键合质料等，古板的铝线键合在一些情形下保存局限性，而铜线键合的引入改善了性能。别的，封装质料还需要思量其导热性、绝缘性等特征。

2. 工艺方面

• 封装工艺涵盖多个办法，从芯片的贴装到引脚的毗连等。在芯片贴装历程中，要确保芯片与封装底座之间的优异接触，以实现有用的散热和电气毗连。键合工艺则是将芯片的电极与封装引脚毗连起来，如金线键合、铜线键合等工艺，键合的质量直接影响到电气毗连的可靠性。在一些新型封装工艺中，银烧结工艺可以提高毗连的可靠性和导热性能。

3. 质量控制

• 质量控制在功率半导体封装中至关主要。在生产历程中，需要对封装的各个环节举行严酷的检测。例如对芯片贴装的位置精度、键合的强度和质量等举行检测。通过州测试手段，如拉力测试来检测键合的牢靠水平，光学检测来检查芯片贴装的位置等，确保封装的质量切合要求。

4. 产品认证

• 功率半导体封装产品需要通过相关的认证，以证实其切合行业标准和规范。差别的应用领域可能有差别的认证要求，例如在汽车和航天等特殊领域，对功率半导体封装的可靠性、清静性等方面有着更为严酷的认证标准。这些认证标准涵盖了从质推测工艺，再到产品性能和可靠性等多方面的要求。

• 
  

功率半导体测试要领

功率半导体测试是确保其性能和可靠性的主要手段，通过多种测试要领可以周全评估功率半导体的各项特征。

一、半导体质料的电阻率测试

1. 四探针测试法

• 四探针手艺可测试工具主要有晶圆片和薄层电阻，例如硅衬底片、研磨片、外延片、离子注入片、退火硅片、金属膜和涂层等。它是微区薄层电阻测试的常用要领，差别于使用万用表丈量通例导体电阻，由于半导体硅单晶电阻率以及微电子领域的其他金属薄膜电阻率的丈量需要使用细小信号供电以及高细密的量测装备，并且在测试接线方法上接纳四线制接法来提升丈量效果的准确性。

• 直线四探针法原理是用针距为1mm的四根探针同时压在样品的平整外貌上，使用恒流源给外面的两个探针通以细小电流，然后在中心两个探针上用高细密数字万用表丈量电压，最后凭证理论公式盘算出样品的电阻率。这种要领能测出凌驾其探针间距三倍以上巨细区域的不匀称性。测试装备包括差别探针间距探针台、IT2806高细密源表和上位机软件PV2800。IT2806高细密源表（简称SMU）集六种装备功效于一体（恒流源、恒压源、脉冲爆发器、6.5位DVM、电池模拟器、电子负载），在电阻率的测试中，可将IT2806高细密源表切换至恒流源模式，在输出电流同时量测中心两探针之间的细小压降，并搭配免费的PV2800上位机软件，自动得出电阻率的丈量效果。

• 方形四探针法（如范德堡法）适用于扁平、厚度匀称、恣意形状且不含有任何隔离孔的样品质料测试。与直线型四探针法相比，其对样品形状没有要求。测试中，四个探针接触点必需位于样品的边沿位置，测试接线方法也是在其中两个探针点提供恒定电流，另外两个点量测电压，围绕样品举行8次丈量，对这些读数举行数学组合来决议样品的平均电阻率，详细测试要领可拜见ASTM标准F76。

2. 测试优势

• 使用IT2800系列高细密源表丈量电阻率具有测试便捷的优点，ITECH IT2800系列高细密源/丈量单位标配免费的上位机PV2800软件，并可选配差别直线探针间距的探针台，使用软件内置的公式，即可直接得出电阻率的测试效果。并且测试精度高，高达100nV/10fA区分率，电流量测精度最高可达0.1% + 50pA，电压量测精度最高可达0.015%+300uV，还提供正向/反向电流一连转变测试，提高测试精度。

二、半导体器件的I - V特征测试（以MOSFET为例）

1. MOSFET转移特征测试（ID = f(VGS))

• 转移特征验证的是栅极电压VGS对漏极电流ID的控制作用，其表征了器件的放大能力。关于恒定的VDS，VGS越大，则沟道中可移动的电子越多，沟道电阻越小，响应的ID就越大，当VGS抵达一定值的时间，电压再大，ID也不会再有太大的转变。测试要领为在漏极D和源极S之间毗连SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，施加特定的VDS值，接着通过SMU2 - IT2805扫描VGS，并同步量测ID，随着VGS的增大，ID也会增大，最终绘制出曲线。测试优势在于IT2800系列提供多种扫描模式：直流或脉冲，线性或对数，单向或双向。关于敏感型的功率器件，测试职员可选择脉冲扫描方法，以镌汰通过一连的直流而导致器件温度升高、特征爆发转变等问题。另一方面为确保当VGS转变时，同步量测到稳固的ID参数，两台SMU之间接纳光纤的通讯方法，极大缩减了同步误差，可低于30ns。

2. MOSFE输出特征测试（ID = f(VDS))

• MOS管的输出特征可以分为三个区：阻止区、恒流区、可变电阻区。当MOSFET事情在开关状态时，随着VGS的通/断，MOSFET在阻止区和可变电阻区往返切换。当MOSFET事情于恒流区时，可以通过控制VGS的电压来控制电流ID。测试要领是同样在漏极D和源极S之间毗连SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，提供扫描电压VDS，在栅极G和源极S之间毗连SMU2 - IT2805，提供扫描电压VGS。测试历程中，漏源极电压VDS设定从0V最先扫描至终止电压，当VDS扫描竣事后，栅极电压VGS步进到下一个数值，VDS再次举行扫描。别的，还可以选配ITECH的SPS5000软件，实现自动化的半导体静态特征测试。SPS5000软件内建CMOS的半导体模子及富厚的静态指标测试项目，只需举行简朴的参数设置即可快速完成测试，当测试完成后，上位机软件可以对多次测试举行综合的剖析，显示table数据或曲线，资助工程师提升测试效率。

三、双脉冲测试

1. 测试原理和意义

• 双脉冲测试（Double Pulse Test）是剖析功率开关器件动态特征的常用测试。通过双脉冲测试可以便捷地评估功率器件的性能，获得稳态和动态历程中的主要参数，更好地评估器件性能，优化驱动设计等。虽然功率半导体器件的手册上会有参数标注，但这些参数都是在标准测试条件下获得的。在现实应用中，若是不加以测试，直接在标定的工况下运行看能否抵达设计的功率，无法周全相识器件性能，进而影响产品恒久可靠性，或者设计裕量过大带来本钱增添，使得产品的市场竞争力下降。例如在使用IGBT或者MOSFET做逆变器的设计中，若是能在设计研发阶段，精准地相识器件的开关性能，将对整个产品的优化带来极大的利益，如能在差别的电压、电流和温度下获得开关消耗，给系统仿真提供可靠的数据，还可以通过视察波形振荡情形来选择合适的门极电阻。

2. 测试平台和流程

• 测试平台包括高压电源（如IT6700H/IT6018C - 1500 - 40/IT - M3906C - 1500 - 125）、高压差分电压探头（1000:1）、SMU（如IT2806）等。测试流程为在t0时刻，被测IGBT的门极吸收到第一个脉冲，被测IGBT导通，母线电压U加在负载电感L上，电感上的电流线性上升，I = U*t/L。IGBT关断前的t1时刻，电感电流的数值由U和L决议；在U和L都确准时，电流的数值由IGBT开启的脉宽T1决议，开启时间越长，电流越大。

功率半导体可靠性剖析

功率半导体的可靠性是其在种种应用场景中能够恒久稳固事情的要害指标，需要通过多种测试和剖析要领来评估。

一、可靠性测试项目分类

1. 基本特征测试

• 主要包括静态特征测试和动态特征测试。以IGBT为例，静态特征测试一样平常指饱和压降Vces、阈值电压Vgeth、集 - 射极泄电流Ices、栅 - 射极泄电流Iges、稳态热阻Rth等静态参数。这些静态参数主要表征
  ？榈囊恍┗煨阅懿问，是表征
  ？橛帕嫉闹饕副，例如饱和压降Vces表征器件的导通能力，Vces越小，
  ？槭虑槔讨械牡纪ㄏ脑叫，相同条件下温升越小。动态特征测试一样平常指双脉冲测试，包括开通延时时间td(on)、下降时间tf等动态参数，还可包括清静事情区SOA的测试，有RBSOA和SCSOA。器件加速老化可靠性实验前必需举行
  ？榈幕咎卣鞑馐，尤其是静态特征测试，一方面确保被测器件功效的完整性，另一方面可用于老化后的比照剖析，助力器件失效模式的剖析。不过，一样平常在可靠性老化测试中不举行器件的动态特征测试，纵然是举行栅极老化的高温栅偏实验，一方面是动态特征测试时间很短，封装的老化并不会影响器件的动态特征，另一方面器件的部分动态特征可通过Iges和Vgeth表征，甚至可举行栅极电容的测试来表征。

2. 极限能力测试

• 主要包括短路能力测试、浪涌能力测试和极限关断能力测试，审核的是器件在极端工况下的能力，尤其是关断能力。例如短路能力测试主要审核器件在短路（一样平常有3类短路情形）条件下器件的极限关断能力，一样平常为10?s能关断电流的数值，主要审核芯片的能力。浪涌能力则是审核反并联二极管抗浪涌能力，一样平常是10ms正弦半波的攻击，尤其是SiC MOSFET的体二极管很是主要，可能还会影响栅极的可靠性，由于时间较长，主要审核封装的水平。极限关断能力则是审核器件饱和状态下在毫秒级的关断能力，如电网用的直流断路器需要在3ms关断6倍的额定电流。从物理和传热学理论来看，短路测试虽然会有大宗的能量爆发，最终也是由于能量凌驾芯片极限而损坏，但由于测试时间很是短，重复的短路测试不会引起封装的老化，而浪涌能力和极限能力测试则将进一步影响封装的老化，是加速老化测试未来应该重点关注的测试。别的，极限能力是特种电源等极端应用时需要重点关注的测试。

3. 可靠性测试

• 主要包括功率循环、温度循环、温度攻击、机械攻击、机械振动、高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏和崎岖温存储等，特另外还包括盐雾等测试。凭证应力的泉源区分着实可分为电应力加速老化和情形应力加速老化。从器件研发到量产以及应用历程中，需要经由大于10项可靠性测试，机械攻击、机械振动、温度存储等主要审核的是器件在运输或者存储历程中的可靠性，而最主要的测试主要有高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏、温度循环和功率循环。这些实验也是工业界和学术界研究最多、最重大的测试，尤其是功率循环测试。通过上述加速老化实验，可以提前袒露器件在芯片设计、封装工艺、样品制备、运输存储、现实应用历程中可能保存的问题，一方面可为器件厂商提供刷新建议，优化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可为器件的应用方提供手艺指导以及现实产品设计和可靠性验证提供数据支持。

4. 失效剖析

• 主要包括SAM超声波扫描剖析、X - ray质料损伤检测剖析、SEM电子显微镜剖析、光学显微镜剖析和有限元仿真剖析。SAM超声波扫描剖析主要是通过超声波对器件内部各层质料举行探伤，尤其是质料的界面处，当保存一个朴陋时，返回的超声波能量和相序爆发了转变，即可举行定位。X - ray则更多是用于质料本体探伤研究，多用于质料级的失效剖析，SEM电子显微镜和光学显微镜也是一样，但光学显微镜需要翻开
  ？椴呕韵煊Φ奈恢镁傩猩钊胩教。有限元仿真剖析是一个除实验外最好的检测、剖析和研究手段，通过实验丈量数据的比照和修正，完全重现实验历程中器件内部的细节和薄弱点，也是失效剖析最难和最为主要的环节。

二、差别类型功率器件的可靠性特点

1. 硅基器件（如IGBT）

• 硅基IGBT器件由于驱动功率小和饱和压降低，并且具有电压品级高（高达6500V）和电流规模广（高达3600A）的优势，在新能源、轨道交通、电动汽车、工业应用和家用电器等应用中成为中流砥柱。但在可靠性方面，随着使用开关频率的提升、能耗要求和基础质料的生长，也面临着新的挑战。例如在高事情结温、高功率密度和高开关频率的生长需求下，其封装的可靠性需要进一步提升以顺应电力电子装置小型化的要求。

2. 碳化硅（SiC）基器件（如SiC MOSFET）

• SiC MOSFET具备高击穿场强、高事情结温顺高开关频率的特点，在电动汽车等应用中获得重点关注。然而，SiC器件由于栅极的不稳固性，在可靠性测试方面需要重点关注其栅极氧化层的可靠性。例如，英飞凌在控制和包管基于SiC的功率半导体器件的可靠性时，会举行如马拉松应力试验、栅极电压步进应力试验等来筛查SiC MOSFET栅极氧化层的可靠性，还会关注其偏压温度不稳固性等方面的情形。

3. 氮化镓（GaN）基器件

• GaN工艺的一直成熟以及在射频领域的生长履历，现在600V左右的高频开关领域GaN器件很是有优势，尤其是车载充电机（OBC）。但由于GaN动态的快速性，在测试要领和细节上要有所区分，以确保对其可靠性的准确评估。

功率半导体封装与测试的关系

功率半导体的封装和测试是细密相关的两个环节，封装的质量和特征会影响测试效果，而测试又能对封装的优化和刷新提供依据。

一、封装对测试的影响

1. 电气毗连方面

芯片封装洗濯先容

尊龙凯时科技研发的水基洗濯剂配合合适的洗濯工艺能为芯片封装条件供清洁的界面条件。

水基洗濯的工艺和装备设置选择对洗濯细密器件尤其主要，一旦选定，就会作为一个恒久的使用和运行方法。水基洗濯剂必需知足洗濯、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到情形中的湿气，通电后爆发电化学迁徙，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破损了电路板功效。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，尚有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、灰尘等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、爆发气孔、短路等等多种不良征象。

这么多污染物，究竟哪些才是最备受关注的呢
？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种因素，焊后必定保存热改性天生物，这些物质在所有污染物中的占有主导，从产品失效情形来而言，焊后剩余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁徙使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必需举行严酷的洗濯，才华包管电路板的质量。

尊龙凯时科技运用自身原创的产品手艺，知足芯片封装工艺制程洗濯的高难度手艺要求，突破外洋厂商在行业中的垄断职位，为芯片封装质料周全国产自主提供强有力的支持。