功率器件的封裝技術與功率器件的開發緊密相關。特別是在中高壓應用中,由于Si半導體功率器件的性能已經達到極限,因此SiC之類寬禁帶半導體功率器件的開發受到大力推動。要發揮寬禁帶半導體的優越性,封裝技術非常重要。由于寬禁帶半導體擊穿場強高,高電壓的跨距很短,所以就封裝而言,這意味著功率器件的塑封絕緣材料要承受很高的局部電場。此外,由于其優勢在于低導通電阻,所以用于導出電流的引線和連接端子也需要低電阻。使用寬禁帶半導體,高電壓功率器件也可以使用MOSFET和肖特基二極管等單極型器件。由于單極型器件不受累積的少數載流子的影響,因此可以進行高速開關操作,所以設計電路布線時,必須減少其寄生參數。此外,由于禁帶寬度大,所以可以在高結溫下工作。已有在400℃以上的溫度下工作的報道,這比常規的Si器件的150~200℃的溫度高得多。就系統重量、體積、成本和熱管理而言,高溫工況是有利的,但是必須確保芯片貼裝和密封材料在高溫下的可靠性。此外,寬禁帶半導體的高熱導率可以減小器件芯片的熱阻,因此,封裝的散熱效率也成為一個問題。還有,為了增加功率轉換系統的功率密度,必須實現功率模塊的集成。換句話說,系統級封裝(System In Package, SIP)要求模塊不僅要包含主電路開關器件,而且還一起封入具有不同功能的多個部件,例如柵極驅動器、電壓/電流傳感器、保護電路和緩沖電路等。通過采用寬禁帶半導體,可以在相同電流水平下減小功率器件的芯片尺寸,但這也增加了熱密度。這意味著必須通過封裝有效地散發功率器件芯片產生的熱量。另外,在SIP的情形下,必須注意功率器件產生熱量導致的溫度升高對外圍柵極驅動器等的影響,其設計和應用必須使其工作溫度在規格范圍內。如上所述,利用寬禁帶半導體,必須同時認真考慮功率器件的電特性和熱特性。因此,對于封裝和安裝,有必要開發與這些熱特性和電特性兼容的材料和結構。
當前,在使用Si半導體的功率器件的分立器件和功率模塊中,無鉛焊料和環氧樹脂已經用于功率器件的芯片貼裝和密封。但是,這些材料不足以滿足寬禁帶半導體功率器件的高溫等極端工況應用需求。對貼裝材料要求熔點在300℃以上,對于密封樹脂材料,為了降低熱阻,則需要提高AIN等填充料的比例,以求從貼裝表面和器件表面都能增強散熱,同時還要保持黏附強度。
如上所述,為了發揮SiC等寬禁帶半導體功率器件的潛力,封裝技術的支
持,器件、電路、系統配置以及協作技術的開發都是很重要的。