功率器件封装技术的创新：提升效率与可靠性的关键路径！ - 电力元件展

2025PCIM Asia Shanghai — 上海国际电力元件、可再生能源管理展览会暨研讨会将行于9月24日至9月26日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

MOSFET、二极管和晶体管等功率器件需要适当的封装设计，以优化散热、提高效率并确保可靠性。热管理对于避免过热、保持性能和延长元件寿命至关重要。

引言

功率半导体市场正处于快速增长阶段，并将在未来几年持续增长。电动汽车和可再生能源的采用正在对功率电子元件的封装带来巨大变革。目前，最常见的封装在形状和材料上各不相同;既有带金属鳍片的传统封装，适合安装在散热器上，也有适合印刷电路板的SMD封装，带有优化的散热垫。

最新的封装将多个器件集成在一个模块中，减少了热阻和寄生电感。该领域的新研究使得功率电子系统的热性能和可靠性得到了提升。例如，用芯片两侧的接触区域替代焊线，进一步改善了热性能。研究人员不断努力提升功率电子封装技术的性能、可靠性、耐久性和功率密度。

封装在半导体开关器件的电气、热和机械性能中起着重要作用。研究基于对所用材料形状、性能和可靠性的详细观察(见图1示例)。研究结果有助于提高元件的可靠性和耐久性。如今，宽带隙(WBG)半导体器件提供了更好的性能、可靠性和成本效益。其界面材料对于实现紧凑、轻量、经济高效且可靠的封装至关重要，这些封装能够在高温下安全运行。

图1

最新的设计技术依赖于计算机仿真建模，这使得开发完全可表征的预测模型成为可能。此外，加速测试能够快速识别可靠的封装，并排除存在任何问题的封装。测试的主要目标是充分发挥WBG器件的潜力。先进的功率电子封装开发使用3D模型，结合新的热管理接口、电气和机械互连，全部在初步模拟环境中进行。它必须满足未来的性能要求，尤其是高功率密度。功率损耗可以通过多种不同程序减少，其中之一是降低封装中的热阻。

随着器件在高开关频率和更高功率密度下运行，仔细选择元件材料变得必要。机械挑战与芯片尺寸成正比，尤其是热膨胀系数(CTE)。功率模块在非常高的温度下运行(甚至高达200°C)，这对材料造成了压力。在功率峰值期间，元件损坏随时可能发生。新材料改善了热、电和可靠性性能。

铜和先进合金有助于降低热阻。其他嵌入式技术使电子元件能够直接封装在PCB上，以实现更均匀的热管理。研究人员正在开发新的热管理系统，以确保更高的功率密度、更高的可靠性和更低的制造成本。在垂直空间至关重要的应用中，通常将元件引脚弯曲成直角，并使用螺钉和螺母将其平装在PCB上。

封装

在高功率或高电流情况下，制造商通常倾向于将功率模块分布在分立封装和集成模块中。一些最常见的封装包括通孔封装，如TO-247和TO-220，以及带有引脚的SMT元件，如D2PAK、DPAK、SO-8，还有无引线类型，如TOLL、PQFN和CSP封装，这些也用于大电流。图2展示了一个9引脚多引线功率封装的示例，以及其他类型的封装。它类似于略微拉长的TO220模型，通常用于高功率集成电路，特别是采用SIL配置的单片音频放大器。注意带孔的金属板的存在，用于将元件安装在散热器上。

图2

目前，最常见的封装之一是“功率四边无引线扁平封装”(PQFN)。它因多种原因而广受欢迎。其尺寸非常紧凑(从3 x 3 mm到8 x 8 mm)。它还具有低涡流损耗，最重要的是，其Rds(ON)电阻极低。其热性能非常高。PQFN还与GaN兼容，采用无铅镀层和无卤化合物，并且可以连接双散热器，特别适合汽车领域。

一种能够延长整个功率封装寿命的新技术是银烧结。它具有延展性、高熔点以及良好的导热性。对于更高性能和高工作温度，银烧结连接非常有前景。目前，正在开发的一种新连接技术是TLPS和TLPB。通过该技术，基于Sn的焊料转变为金属间相，其熔点高于连接前的焊料合金。更高的熔点是为了承受更高的工作温度或制造过程中的后续焊接工艺。QFN封装是可能在运行期间产生大量热量的元件，如果在高温下发生显著的功率损耗，可能会遭受严重损坏。因此，控制封装内的最高温度至关重要。

大多数QFN设计在元件下方带有铜散热垫，直接连接到硅芯片，通过焊料提供的热连接将热量传递到PCB。为了进一步改善散热，PCB可能在散热垫中集成热通孔，增加导热性，帮助保持芯片在最佳温度。因此，有效的热管理对于确保器件的高性能和可靠性至关重要。如今，PQFN封装因其能够确保有效的热管理和可靠的性能而广泛应用于汽车领域。优化性能的关键要素包括使用先进的焊料材料、暴露的散热器、引线框架和用于电气连接的粗铝线。特别注意避免焊料空洞，这些空洞是在焊接过程中在功率芯片和引线框架之间形成的空腔，因为这些缺陷会损害导热性和整体系统可靠性。

如图3所示，Source-down是一项创新技术，通过翻转硅芯片，将有源区域直接连接到引线框架，从而改善热和电气性能。它将Rds(ON)降低多达30%，并提供更好的散热和更高的效率。

图3

结论

研究人员继续优化封装技术，以提高功率电子解决方案的可靠性并延长其寿命。功率器件封装必须提供电压隔离、出色的电气连接、机械稳定性、防潮保护和高效的热管理。

    文章来源：浮思特科技

2025PCIM Asia Shanghai — 上海国际电力元件、可再生能源管理展览会暨研讨会将于2025年9月24日至9月26日在上海新国际博览中心举行；上海电子展更多资讯，详情请登陆官网 https://pcim.gymf.com.cn