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宽禁带半导体封装技术的挑战
文章来源:未知         发布者:admin   发布日期:2021-08-28   浏览次数:

        功率器件的封装技术与功率器件的开发紧密相关。特别是在中高压应用中,由于Si半导体功率器件的性能已经达到极限,因此SiC之类宽禁带半导体功率器件的开发受到大力推动。要发挥宽禁带半导体的优越性,封装技术非常重要。由于宽禁带半导体击穿场强高,高电压的跨距很短,所以就封装而言,这意味着功率器件的塑封绝缘材料要承受很高的局部电场。此外,由于其优势在于低导通电阻,所以用于导出电流的引线和连接端子也需要低电阻。使用宽禁带半导体,高电压功率器件也可以使用MOSFET和肖特基二极管等单极型器件。由于单极型器件不受累积的少数载流子的影响,因此可以进行高速开关操作,所以设计电路布线时,必须减少其寄生参数。此外,由于禁带宽度大,所以可以在高结温下工作。已有在400℃以上的温度下工作的报道,这比常规的Si器件的150~200℃的温度高得多。就系统重量、体积、成本和热管理而言,高温工况是有利的,但是必须确保芯片贴装和密封材料在高温下的可靠性。此外,宽禁带半导体的高热导率可以减小器件芯片的热阻,因此,封装的散热效率也成为一个问题。还有,为了增加功率转换系统的功率密度,必须实现功率模块的集成。换句话说,系统级封装(System In Package, SIP)要求模块不仅要包含主电路开关器件,而且还一起封入具有不同功能的多个部件,例如栅极驱动器、电压/电流传感器、保护电路和缓冲电路等。通过采用宽禁带半导体,可以在相同电流水平下减小功率器件的芯片尺寸,但这也增加了热密度。这意味着必须通过封装有效地散发功率器件芯片产生的热量。另外,在SIP的情形下,必须注意功率器件产生热量导致的温度升高对外围栅极驱动器等的影响,其设计和应用必须使其工作温度在规格范围内。如上所述,利用宽禁带半导体,必须同时认真考虑功率器件的电特性和热特性。因此,对于封装和安装,有必要开发与这些热特性和电特性兼容的材料和结构。
        当前,在使用Si半导体的功率器件的分立器件和功率模块中,无铅焊料和环氧树脂已经用于功率器件的芯片贴装和密封。但是,这些材料不足以满足宽禁带半导体功率器件的高温等极端工况应用需求。对贴装材料要求熔点在300℃以上,对于密封树脂材料,为了降低热阻,则需要提高AIN等填充料的比例,以求从贴装表面和器件表面都能增强散热,同时还要保持黏附强度。
如上所述,为了发挥SiC等宽禁带半导体功率器件的潜力,封装技术的支
持,器件、电路、系统配置以及协作技术的开发都是很重要的。

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