第1章 功率半导体封装概述

1.1 概述

1.1.1 功率半导体器件概述

功率半导体器件，又称为电力电子器件，是指可直接用于处理电能的主电路中、实现电能变换或控制的电子器件。它主要用于电力变换，包括整流（交流-直流）、逆变（直流-交流）、直流斩波（直流-直流）及交流电力控制、变频或变相（交流-交流）。不同于一般半导体器件的结构，功率半导体器件能够支持高电压、大电流，在使用高电压、大电流时也不会损坏，通常工作在开关状态，是电能转换与电路控制的核心，对电能高效产生、传输、转换、存储和控制起到关键的作用，所处理的功率小至数瓦甚至低于1瓦（W），大至兆瓦（MW）甚至吉瓦（GW）。

功率半导体器件是功率电子技术快速发展的主要驱动力。功率电子技术，又称为电力电子技术，是使用功率半导体器件实现对电能的高效变换和控制的一门技术^[1]，涉及电力学、电子学和控制理论，诞生于20世纪后半叶，并在21世纪飞速发展。

功率半导体器件和微电子器件的制造技术理论基础相同，都以电子学为理论基础。与微电子器件相比，功率半导体器件的主要特征如下：①能实现大功率电能变换和控制；②最重要的参数是其所能处理的功率范围，或者说所能承受的电压、电流范围，通常远大于微电子器件；③一般处于开关状态，由专门的驱动电路来控制其导通或关断，动态特性（或称为开关特性）是评价功率半导体器件特性的关键因素；④自身功耗较大，需要安装散热器以提高功率半导体器件或系统的散热能力。

此外，功率电子技术对节能减排意义重大。能源问题是现今社会面临的重大挑战与危机之一。随着工业化的快速发展，能源消耗日益增大，能源需求与生态环境平衡之间的矛盾愈演愈烈。节能减排、清洁能源、低碳经济是未来经济发展的趋势与核心。采用功率电子技术实现能源的高速度、高精度、高可靠、高效率转换，将“粗电”转化为“精电”，是实现节能减排的基础，可以说，功率半导体器件是提高能源利用效率、开发可再生能源，推动国民经济可持续发展的基础之一。

1.1.2 功率半导体发展历程^[2-6]

功率半导体器件最早出现在20世纪初，其发展决定了功率电子技术的发展。

从功率半导体材料选择上来看，第一款固态（Solid-state）功率半导体器件是氧化铜整流器，诞生于1927年，主要用于电池充电器或者无线电设备电源；1952年出现第一款锗（Ge）功率半导体器件——锗双极晶体管，反向阻断电压达到200V，额定电流为35A；直到1957年才出现第一款硅（Si）功率晶体管，其频率响应优于锗晶体管，且可以在高达150℃结温下工作。

从器件类型上看，功率半导体器件从不可控器件发展到半控型器件，再到全控型器件。

最先用于电力领域的半导体器件为硅二极管，包括普通二极管（又称为整流二极管，Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）、肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD），均属于不可控器件。

1957年，美国通用电气公司研发出全球第一款晶闸管（Thyristor）。它能够承受高反向击穿电压及大电流，其缺点在于关断是被动的，需要依赖外部条件，属于半控型器件。这一发明也成为功率电子技术诞生的标志。

1960年实现了晶闸管的关断，即门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor，GTO）。随着 MOSFET 技术的发展，70 年代后期出现功率场效应晶体管（Power MOSFET）。国际整流器公司（IR）于1978年研发了一款25A、400V的功率场效应管，该器件的工作频率高于双极晶体管，但仅限于低电压应用。至此，全控型器件迅速发展起来，其开关速度及开关频率普遍高于晶闸管，它推动功率电子技术发展到新的高度。

20 世纪80年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）和功率双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），一般工作在几十至几百赫兹的低频区间。事实上，研究者发现功率半导体电路在高频下工作可以展现更优越的性能，因此，进一步提高功率半导体器件的工作频率成为发展趋势之一。在这种趋势的引领下，集合了多种器件的优点、性能更为优越的复合型器件成为现代功率电子技术的主流器件，代表器件包括绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT），前者集MOSFET驱动功率小、开关速度快和 BJT 通态压降低、载流能力大的优点于一身^[6]，后者则集MOSFET和GTO的优点于一身，两者均展现出优越的电气性能。

进入21世纪之后，为了满足体积小、便携、成本低、可靠性高等需求，功率半导体器件及配套的辅助元件按照典型功率电子电路拓扑结构，集成到一个模块中，形成功率半导体模块（Power Module），使得功率电子装置结构紧凑、体积减小，同时方便应用。后期更是将驱动、控制、保护等信息电子电路与功率半导体器件集成于一体，形成单片功率集成电路，这就是功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）的基本理念。功率集成电路起源于20世纪70年代，到90年代才进入实用阶段。随着应用需求的变化，智能模块（Intelligent Power Module，IPM）概念形成，即在PIC概念基础上加强模块故障自诊断功能，提高运行可靠性^[7，8]。电力电子积木（Power Electronic Building Block，PEBB）模式则进一步在模块中集成驱动电路、保护电路、传感器、电源、无源器件等，实现高度智能化和集成化[9，10]。总而言之，集成化和智能化已经成为功率电子技术发展的重要趋势之一^[11]。