抽象的：傳統電力電子封裝主要基於焊料連接、引線鍵合等二維平面封裝技術，無法滿足第三代半導體裝置在高頻、高壓、高溫下的可靠應用。 為了解決這個問題，二維平麵包裝逐漸發展為三維一體化包裝。 對電力電子封裝技術關鍵材料和結構設計的研究進展進行了總結和展望。 連接材料逐漸從錫基焊料發展到金基焊料、瞬態液相連接材料、燒結銀等高導熱、耐高溫材料，連接技術也逐漸從引線鍵結發展到雙鍵連接。垂直層壓互連。 透過去除引線提高開關性能，透過整合各種晶片和裝置提高功率密度，透過雙面冷卻提高散熱效率。 三維整合包裝市場潛力巨大，將成為未來主要發展趨勢之一。

關鍵詞：電子封裝； 包裝材料； 封裝結構； 立體包裝； 燒結銀； 矽通孔

基金項目：深圳市科委項目（JCYJ20180508161601937）

電力電子元件正向高頻、高密度、高功率和高溫應用方向發展[1]。 目前，矽（Si）基元件仍占主導地位。然而，由於材料的特性，矽基元件的開關頻率、工作溫度和功率密度受到限制。 與傳統矽基元件相比，碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導體越來越多地應用於無線通訊、電力等高壓、高溫、高頻應用領域。 ，因為它們具有更高的擊穿電壓、更寬的帶隙、更高的導熱性和更低的功率損耗[2-3]。 但同時，第三代半導體裝置的快速發展對封裝技術提出了更嚴格的要求。

封裝技術是將晶片與承載基板連接固定，引出接腳，成型為整個功率元件或模組的過程，主要起到電氣連接、結構支撐與保護、提供散熱等作用[4]。 作為模組整合的核心，封裝材料、製程和結構直接影響功率模組的熱、電和電磁幹擾特性。 目前成熟的封裝技術主要以銀膠或錫基焊料等連接材料和引線連接等封裝結構為主，耐高溫高壓能力較差，電磁相容問題突出，無法提供有效的散熱方式。 近年來，燒結銀互連材料、三維整合封裝結構等具有優異的耐高溫性和高導熱性，可實現雙面散熱並大幅降低開關損耗，使得功率模組具有良好的熱電特性，可靠性,並得到越來越多的研究和關注。可望滿足第三代半導體裝置在高溫、高壓、高頻領域的可靠應用。 本文對電力電子封裝材料及結構設計的最新研究進展進行了總結與展望。

典型的功率模組封裝結構如圖1所示，由功率晶片、連接材料、焊線、陶瓷基板、底板、灌封材料、外殼和功率端子組成[3,5]。 每種封裝材料的熱、電、機械和化學性能都不同，因此需要綜合考慮每種材料的性能來選擇整個功率模組的最佳性能。

圖1  典型的電源模組封裝結構[5]

晶片鍵合、連接、基板等關鍵封裝材料與技術的發展趨勢如圖2所示。 連接技術從鍵合線發展到帶狀、銅柱、引線框架和電鍍通孔等。 晶片的鍵合材料從傳統的焊接發展到金基高溫焊接、瞬態液相鍵合、燒結銀和燒結銅等，大大提高了導熱性和導電性，滿足高溫可靠的要求。 。 基板向陶瓷基板的金屬導電導熱層加厚發展，從而提高散熱效率[5]。

圖2 連接、基板、晶片鍵合等封裝材料及技術發展趨勢[5]

2.1  晶片材質

常用半導體材料的性能參數如表1所示[6-7]。 Si因其技術成熟、成本低廉，廣泛應用於各種分立元件及積體電路、電子資訊網路工程等領域。 與Si相比，GaAs具有寬頻隙和高電子遷移率的特點，可顯著減小射頻尺寸和功耗，廣泛應用於射頻、無線通訊和光電領域的低功耗裝置。 SiC和GaN具有較大的禁帶寬度，在高溫工作時不易吸收熱輻射能量並躍遷到導帶，並且具有較高的擊穿場強，因此寬帶隙半導體SiC和GaN更適合高溫高壓應用。場合比Si． SiC具有更高的熱導率、更好的散熱能力、更高的載流子遷移率、更高的電流密度以及耐高溫高壓的特性，因此常被用作功率器件，在電壓600℃的高功率領域優勢明顯V以上，廣泛應用於新能源車、電力設備領域。 GaN具有更快的電子遷移率和載子速度，高電壓下更小的導通電阻和寄生參數，在高功率射頻方向有明顯優勢。 GaN因其功率密度高、能耗低、頻率高、更寬等特點，主要應用於5G通訊、衛星通訊等微波射頻領域、消費性電子、新能源汽車快充等電力電子領域以及LED光電領域。 。 與SiC類似，GaN技術目前仍處於快速發展階段，成本相對較高。

表1 半導體晶片材料的特性[6]

2.2  晶片接合材料

SnPb合金焊料，如Sn63Pb37，因其具有低剪切模量、高潤濕性、延展性、熱機械性能和可靠性等優異性能，已廣泛應用於晶片鍵合材料。 但SnPb不符合歐盟RoHS無鉛標準，且熔點較低（約180℃）。因此，需要新的晶片鍵合材料來滿足封裝結構和材料的熱膨脹係數（CTE）匹配和耐高溫的要求。目前應用最廣泛的晶片鍵合材料如表2所示[8]。 導電銀漿主要由樹脂基體、導電顆粒（主要是銀粉）、分散助劑和助劑等組成，其導電率和導熱率都比較低，玻璃化轉變溫度約100~150℃，受限於高溫高壓晶片封裝領域。 與SnPb焊料相比，無鉛焊料（例如SnAg或SnAgCu）通常具有高於90%的Sn含量和較高的熔點（約220℃）。凝固過程中，過冷度較高，易形成粗大的枝晶組織及金屬間化合物，分佈不均勻，進而削弱其抗蠕變能力。 此外，SnAgCu合金具有較高的彈性模量，其CTE與晶片和基板的CTE相差較大。在熱循環負荷作用下，容易產生疲勞損傷並導致焊點剝落，降低焊點的可靠性[9]。

表2 貼片材料的性能[8]

晶片以高溫鍵合材料，如AuSn或AuGe等金基共晶合金焊料，具有較高的熔點（大於280℃）、導熱性和導電性，易於實現無焊料釬焊。 但金基焊料中金含量普遍較高，成本較高，且由於成分相脆性較高，導致加工困難、成品率低、產品性能差等缺點，嚴重影響其性能。應用[10]。

瞬態液相鍵結（TLPB）是在熔點較高的接合母材（如Cu、Au、Ag、Ni）中添加熔點較低的中間層（如In、Sn），中間層和一些基材通過加熱熔化並重新凝固，使固體和液體相互擴散形成連接。 選擇合適的材料和工藝，瞬態液相鍵合可以形成性能優異的接頭，例如鍵合強度大於60 MPa[11]。 但由於中間層選擇少、成本高以及Au-In等材料易氧化等問題，瞬態液相連接在高溫晶片互連的應用受到很大限制。

燒結銀互連又稱低溫連接技術，是基於奈米銀或微米銀顆粒的固相原子擴散形成燒結連接。 由於銀的燒結溫度低（200~300℃）和高熔點（961℃），銀具有許多優點，例如高導熱性、耐溫度循環性和高功率循環可靠性。它已成為高溫晶片互連的首選，並得到了廣泛的研究和應用[12]。 但燒結銀也存在一些缺點，如成本高、奈米銀顆粒低溫團聚、微米銀焊膏加壓燒結、製程複雜、晶片和基板表面鍍Ni/Au或Ni/Ag和銀的電化學遷移。 與奈米銀焊膏相比，奈米銅焊膏因其成本較低且無電化學遷移的可靠性風險而最近受到關注[13]。 但奈米銅顆粒容易氧化，需要在惰性氣氛中燒結，增加了製程複雜度和設備成本，具有一定的應用限制。

2.3  塑膠包裝材料

塑膠包裝材料的主要功能是電絕緣和環境隔離，起到防潮、防鹽霧、防黴、防塵、防碰撞、防振動的保護作用，避免環境腐蝕和破壞，從而確保電子元件的電氣性能，甚至提高高壓功率模組的電壓等級，避免電極放電，最終提高電子產品的可靠性[14]。 塑膠包裝材料的種類和性能如表3所示。      

表3 塑膠包裝材料的種類及性能[14]

保形塗層是一種常用於印刷電路表面保護的有機塗層，需要與基板和元件有良好的連接性能。 一般選用吸水率低、介電強度高、CTE相匹配、彈性模量低的材料，如可在120℃以下低溫下使用的丙烯酸、可在165℃以下低溫下使用的聚氨酯、中溫200℃以下使用的環氧樹脂，250℃以上高溫所使用的矽酮樹脂、聚對二甲苯、苯並環丁烯、聚醯亞胺等。

如圖3所示，底部填充和模塑膠不僅可以與周圍環境隔離並減少電場應力，還可以透過減少或重新分佈CTE不匹配引起的熱機械應力來提高封裝產品的可靠性[14]。 因此，應盡可能選擇與封裝結構中各元件CTE相符的材料，如CTE為(20~30)×10-6/K且小於20×10-6/K的硬質材料分別採用底部填充膠和模塑料，以減少焊球和包括焊球的整個封裝結構的熱應力。 目前最常用的底部填充膠和模塑膠是二氧化矽填充的環氧樹脂。

灌封膠和頂部封裝膠不僅提高了抗電場擊穿的電壓水平，避免了周圍環境的腐蝕和破壞，而且對封裝結構起到了一定的機械支撐作用。 目前最常用的灌封膠和頂封膠材料有可在165℃以下低溫下施工的聚氨酯、可在200℃以下中溫下施工的環氧樹脂以及矽橡膠或矽橡膠等。下施工的凝膠。 其中，矽橡膠或凝膠等軟質材料因其硬度和模量低、塑性和彈性高，對晶片、鍵合線等封裝元件的應力影響較小而被廣泛使用。 但矽橡膠、凝膠等軟質材料的機械支撐和保護性能較差。 為了抵抗外界衝擊，可選用樹脂等硬質材料。 然而，樹脂通常具有較高的模量，因此需要選擇具有匹配CTE的材料，以避免整個封裝結構產生過多的熱機械應力。

（b）模具塑膠地圖

圖3 電力電子封裝結構中底部填充膠和模塑膠示意圖[14]

2.4  基板及底板材質

一般來說，基板是「金屬導電層-絕緣層-金屬導電層」的三明治結構，上下金屬導電層分別用於晶片和背板的互連。 根據製造工藝，基板可分為直接接合銅基板（DBC）、直接印刷銅基板（DPC）、直接接合鋁基板（DBA）、活性金屬釬焊基板、 AMB）、絕緣金屬基板（IMS）和厚膜印刷銅（TPC）等

DBC基板是陶瓷與銅膜上薄氧化銅的共晶連接，具有優異的性能和相對較低的成本，廣泛應用於電力電子封裝。 然而，陶瓷界面處的氧化銅膜容易分層，導致DBC基板對溫度循環的可靠性較低。 AMB基板透過活性金屬釬焊將金屬和陶瓷連接在一起，可消除氧化層，提高可靠性。 DBA採用AlSi釬焊連接鋁板和陶瓷。與DBC的銅層相比，鋁層硬度較低，可以承受更高的熱機械應力並提高可靠性[15]。 但鋁的導熱係數比銅低，DBA基板的散熱性能不如DBC基板。 IMS基板包括一層高導熱的絕緣樹脂、銅底板和厚銅膜。 與DBC相比，IMB具有製造流程簡單、熱處理溫度低、成本低、可靠性高等優點。 TPC是透過網版印刷在陶瓷上印製一層銅漿，在850~950℃下燒結，在金屬膜和陶瓷之間形成高強度的連接。溫度循環可靠性高，可與積體電路晶片和被動元件高度集成，形成混合模組。 最近也出現了基於厚引線框架和薄絕緣層的基板，簡化了多層基板的結構並提高了散熱效率[5]。

考慮熱導率和CTE，Al2O3、Si3N4、AlN和BeO是基板中最常用的陶瓷材料。性能比較見表 4[8,16]。 BeO導熱係數最高，但製備過程中產生的粉塵對人體有害，限制了其應用。 Al2O3是最經濟的選擇，但其機械強度適中，導熱性相對較差。 AlN的導熱係數比Al2O3高，CTE與晶片匹配得更好。 Si3N4具有較高的溫度循環可靠性，但其成本相對較高[17]。 相對而言，Al-AlN和Cu-Si3N4的組合可靠性較高，因為前者鋁材料較軟，彈性模量較低，容易變形，且可以減緩熱應力對陶瓷造成的損壞。 後者Si3N4具有較高的彎曲強度和斷裂韌性，並且可以抵抗銅引起的熱應力。

表4 基材中陶瓷材料的性能[8]

最常用的基板材料是銅。為了降低CTE並確保高導熱率，AlSiC、W-Cu、Mo-Cu和Cu-Mo-Cu等金屬複合材料也被廣泛使用。其性能參數如表5[8]。 一般基板都會鍍鎳，可以防止高溫下銅原子的遷移和氧化，提高銅基板的強度和抗變形能力。

表5 底板材料特性[8]

根據晶片組裝方式和互連製程的不同，電力電子封裝結構可分為焊接封裝和壓接封裝兩種類型。 封裝的發展趨勢如圖4所示，其中焊接封裝可採用引線鍵結、倒裝晶片(BGA互連)、金屬柱互連、凹進陣列互連、沉積金屬膜互連等結構。 壓接式封裝是一種透過外部機械壓力形成的互連結構。 為便於比較分析，將上述封裝方式的優缺點列於表6[18]。 引線鍵結具有技術成熟、成本低廉、佈線彈性等優點。 然而，引線鍵合模組具有較高的寄生電感，只能從背板的一側散熱[18]。 而且，由於焊線與晶片之間的CTE不匹配，產生較大的熱機械應力，使得焊點容易出現疲勞失效，成為模組在功率循環過程中的主要失效形式。

圖4 封裝結構發展趨勢[5]

表6 封裝結構比較[18]

目前，電力電子封裝結構已從傳統的引線鍵合標準封裝結構逐步發展到包覆成型、雙面鍵結、元件整合和3D功率整合。 通過去除引線，可以減少電磁幹擾，提高散熱效率，並提高整合度。 其中，注塑結構為緊湊的平面封裝，易於批量模組生產； 雙面連接結構，可實現雙面散熱，提高散熱效率； 裝置一體化結構，可將各種功能整合在模組中，提高開關速度； 三維功率整合結構是將晶片沿垂直方向堆疊，可大幅降低寄生電感，提高開關性能[5]。 與二維封裝相比，三維封裝具有明顯的優勢，例如大幅縮短垂直方向的環路距離、減少寄生電感和電磁幹擾、提高傳輸速度、改善開關性能和降低功率損耗； 它可以整合多種晶片和裝置，如閘極驅動電路、去耦電容、散熱器等，進一步提高功率整合密度，並減少封裝體積。 然而，目前3D封裝也面臨一些挑戰，如晶片堆疊互連帶來的熱管理、生產技術和良率等，製造流程需要進一步改進[6,19]。

3.1  二次注塑封裝

二射封裝結構是在傳統引線鍵合封裝結構的基礎上，將晶片直接鍵結到引線框架上，去除鍵結引線，採用環氧樹脂進行注射封裝的結構。 與打線接合的封裝結構相比，射出封裝的晶片頂部連接面積增大，提高了散熱效率。 寄生電感的減少，降低了功率損耗，非常有利於模組化量產，廣泛應用於電動車的整流器。

3.2  雙面連接封裝

雙面連接結構將晶片分別與上下基板連接，如西門康公司提出的SKiN功率模組[20]和富士馬達提出的SiC功率模組[21]，可以達到去除晶片的目的鍵合線。 雙面連接封裝結構主要有兩個優點：（1）消除射極表面的打線，有效降低寄生電感、電壓過衝和功率損耗，提升開關性能； (2)實現晶片上下方向的散熱，提高散熱效率，有效降低晶片的結溫，減緩故障。 橡樹嶺國家實驗室提出了一種採用雙面DBC基板封裝的Si IGBT或SiC MOSFET功率模組，與傳統引線鍵合模組相比，其電感量下降62%，開關損耗下降50%~90%，散熱效率提高40%~50%[22]。

然而，雙面連結結構也有一些缺點。 首先，與打線接合模組相比，雙面連接結構的材料層數更多，增加了封裝製程的複雜性。 其次，由於各層材料的CTE不同，熱失配會產生較大的熱機械應力，進而降低連接層的可靠性。 為了降低熱機械應力，一些與晶片CTE相符的金屬，如Mo或Cu/Mo/Cu[23]，被用作層間材料。 第三，如圖5所示，在實現不同厚度的多晶片雙面連接的功率模組時，需要在晶片與DBC基板之間電鍍或連接不同高度的Micro-Metal Post或銅引腳，因此以解決多晶片厚度不同所造成的高度差問題[6]。 第四，錫基焊料是模組封裝中最常用的互連材料。在雙面連接模組封裝過程中，通常需要多個連接步驟，這需要一組不同熔點的焊料，這限制了模組的使用溫度。 因此，在雙面連接封裝結構中，具有高導熱率、高導電率、高熔點的燒結銀焊膏成為互連材料的首選。

圖5 雙面連接封裝結構[6]

3.3  整合元件封裝

整合封裝是在一個模組中整合多種功能的裝置，如整合式閘極驅動電路、去耦電容、溫度感測器、電流感測器和保護電路等[18]。 整合式元件封裝有許多優點，例如，透過整合式閘極驅動電路和去耦電容，可以減少母線或模組外部連接器的寄生電感，可以縮短功率元件與閘極驅動器之間的連接，可以減少柵極極環路電感，可抑制電磁幹擾，提高均流性能及開關速度。 然而，這種封裝結構也有一些限制。例如，整合的閘極驅動電路一般比較簡單，模組的整體尺寸、載流能力和開關頻率受到各個整合元件的限制。 另外，在裝置整合封裝之前，需要對各個元件的耐溫性能進行檢查，避免因元件整合距離太近而影響溫度敏感元件的正常運作[5] 。

3.4   三維電源整合封裝

整合式封裝結構如圖6所示。在二維封裝的基礎上，採用引線鍵結、倒裝晶片、微凸塊、球柵陣列（BGA）、矽通孔（TSV）、PCB嵌入等製程技術，實現垂直方向多晶片堆疊互連方向[24

圖6 三維整合封裝結構示意圖[6,29-31]

在堆疊式3D封裝中，矽通孔是最受關注的技術之一，它利用矽通孔穿過基板的垂直互連來實現不同晶片之間的電互連[28]。 矽通孔封裝的關鍵技術包括矽通孔形成、填充、晶片減薄和互連。 具體步驟如下：首先透過雷射打孔、乾式蝕刻或濕式蝕刻形成通孔，然後透過化學氣相沉積填充SiO2絕緣層和銅導電層，然後透過研磨對晶片進行減薄，最後進行晶片互連透過鍵結或金屬之間的鍵結[29]。 與傳統的平面二維引線互連結構相比，矽通孔三維結構具有尺寸小、重量輕、矽片使用效率高、縮短訊號延遲和降低功耗等優點，並且廣泛應用於三維晶圓級、系統級和積體電路封裝。 然而，它也有一些限制。首先是可靠性，直通矽封裝結構的高功率密度，以及疊層晶片的熱管理問題大； 其次，成本高，封裝結構、製程和測試複雜。

嵌入式3D封裝使用銅線和微孔取代鍵合線，並將晶片嵌入PCB層壓板中，可縮小體積，提高可靠性並便於系統整合[30]。 這種結構的最大挑戰是其熱機械性能較差，受限於傳統PCB材料的低玻璃化轉變溫度和高CTE引起的熱機械應力，其使用溫度較低[18]。 另外，FR4-PCB層壓板的剝離強度較低，約0.9～1.25N/mm。與DBC基板相比，嵌入PCB的模組的額定功率較低[3]。

除了上述焊接連接外，還可以透過壓接形成三維封裝。典型案例如圖7所示，為Westcode IGBT壓接模組[32]的內部結構圖。此模組透過外部機械壓力實現元件間的物理連接，而非引線、焊接或燒結等連接方式。其結構簡單、成本低、可靠性高，在高壓大電流電網中廣泛應用。 但在壓接模組中，對模組的內部尺寸、各部件的平整度和表面質量要求較高，且接頭的導熱性和導電性受壓力和均勻性影響較大。需要選擇合適的夾緊壓力，以確保較小的接觸電阻和熱阻，但不可避免地會受到表面粗糙度和結構變形的影響。 壓接結構中經常引入彈性緩衝結構和具有小CTE的材料，例如鉬或鈹墊片和彈簧板，以均衡壓力、減少熱機械應力並提高可靠性。

圖7 Sima的IGBT壓接模組內部結構[6,32]

功率封裝的關鍵材料、連接技術和結構設計正逐步向去除引線、提高散熱性能、提高集成密度等方向發展，以滿足高溫、高壓、高頻環境下的可靠應用。 隨著第三代半導體裝置的普及應用，燒結銀焊膏連接材料、矽通孔技術、三維整合封裝結構等是未來的主要趨勢，相信其應用前景無限。

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