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功率半導(dǎo)體的典型垂直封裝結(jié)構(gòu)如圖所示。
在Si或SiC的器件表面上完成接線，并通過芯片貼裝向下釋放半導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量。目前，上表面的接線大多數(shù)是鋁引線鍵合(見圖)，
近來已經(jīng)替換為橫截面較大的條帶鍵合，但是在條帶鍵合工藝中減小壓力是一個問題。另外，現(xiàn)已開發(fā)了電阻率較低的銅引線，但是其鍵合工藝壓力比鋁鍵合高也是一個問題。人們想要的是能帶來低電阻的低壓力引線鍵合線工藝。氮化(GaN)具有橫向器件結(jié)構(gòu)，但基本封裝結(jié)構(gòu)與圖1.4相同。人們尤其希望硅上氮化具有成本競爭力，能很快形成市場。
模塊散熱是功率半導(dǎo)體中的一個技術(shù)問題。圖2中所示的單面散熱是用主流，但也有如圖3所示電裝公司的雙面冷卻類型。所有的貼裝都需要異的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前缺乏可以令人安全放心使用功率半導(dǎo)體的通用可靠性估技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，無法評估性價比的優(yōu)劣。此外，即使是Si功率半導(dǎo)體也經(jīng)常現(xiàn)應(yīng)用故障，對于功率密度更高的碳化硅和氮化，沒有經(jīng)過考驗切實可行可靠性技術(shù)是無法使用的，因此迫切需要為產(chǎn)業(yè)發(fā)展設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)。
在功率半導(dǎo)體的可靠性方面，需要考慮的因素很多，但是與故障最直相關(guān)的是在功率循環(huán)中產(chǎn)生的退化損傷。需要注意芯片貼裝部位的疲勞破壞陶瓷絕緣基板和結(jié)合界面的退化，或者引線鍵合界面的疲勞退化。尤其是芯片貼裝處的空洞阻礙器件工作期間的散熱，形成熱點，成為失效原因，所以必須在生產(chǎn)時盡量避免。此外，隨著工作溫度升高，電流密度顯著增加，因此必須充分注意電遷移對引線側(cè)的影響。電遷移已經(jīng)成為硅器件中的鋁引線的主要問題，電遷移還會引起倒裝芯片的精細(xì)焊接失效。盡管也有引起芯片貼裝失效的情況，但是在芯片貼裝側(cè)還存在嚴(yán)重的應(yīng)力載荷，使得
應(yīng)力遷移和電遷移疊加作用。圖1中顯示的各個因素都是主要的器件性能退化機制。
寬禁帶功率半導(dǎo)體的預(yù)期工作結(jié)溫將超過200℃。這是當(dāng)前硅封裝技術(shù)完全沒有涉及過的溫度范圍，并且模塊的每個部件都要承受嚴(yán)酷的溫度、應(yīng)力和氧化/腐蝕性環(huán)境的考驗，必然會增加發(fā)生故障的可能性，因此必須調(diào)整組成材料和器件結(jié)構(gòu)。下面列出的是封裝方面的要求：
1)可承受-50～300℃的嚴(yán)酷溫度循環(huán)的組成材料和結(jié)合結(jié)構(gòu)；
2)在250～300℃空氣中抗氧化的界面設(shè)計；
3)闡明超高溫大電流下的電遷移退化機制以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
4）包括模塑樹脂的各種界面設(shè)計；
5)芯片貼裝缺陷、引線/條帶鍵合缺陷的檢測和可靠性評價。
另外，讀者應(yīng)該注意到的是，當(dāng)涉及模塊時，功率半導(dǎo)體的封裝技術(shù)還包括緩沖電容和電感的安裝配置。由于本書內(nèi)容著重于連線和散熱，所以并未包含相關(guān)內(nèi)容。
