功率半导体器件（Si、SiC、GaN）封装工艺及市场应用分析和功率半导体芯片清洗剂介绍

关于功率半导体器件（Si、SiC、GaN）封装工艺及其市场核心应用的详细分析。

引言

功率半导体是电力电子装置的“心脏”，负责对电能进行转换、控制和处理。传统的硅（Si）基器件（如IGBT、MOSFET）已接近其材料理论极限。新一代的宽禁带半导体材料——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——凭借其更高的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的热导率等优异特性，正在掀起一场能源效率革命。

然而，“芯片”本身性能的发挥极度依赖于封装技术。封装不仅提供保护和连接，更是影响器件散热能力、寄生参数（电感和电阻）、功率密度和可靠性的关键。

第一部分：功率半导体封装工艺

封装技术从传统的焊接、引线键合，正向更高集成度、更低寄生参数和更好散热性能的方向发展。以下是主流的和先进的封装工艺：

1. 传统封装 (主要用于硅基器件，部分用于SiC)

• TO (Transistor Outline): 如TO-247、TO-220等。这是最经典的分立器件封装，工艺成熟、成本低。但寄生电感较大，散热能力有限，多用于中低功率领域。

• DIP/IPM (Dual In-line Package / Intelligent Power Module):

• DIP: 双列直插式封装，常见于老旧的低功率模块。

• IPM: 智能功率模块，将IGBT芯片、驱动电路、保护电路（过流、过热、欠压）等集成在一个封装内。提高了系统的可靠性和紧凑性，广泛应用于工业变频、家电等。

2. 模块化封装 (Si IGBT/SiC Module的主流形式)

• 标准功率模块: 采用直接覆铜（DBC/AMB）基板、芯片焊接、铝线键合 和 硅凝胶填充 的经典结构。

• DBC (Direct Bonded Copper): 陶瓷基板（常用Al₂O₃或AlN）上下两面与铜箔直接键合，绝缘性好，导热能力强。

• AMB (Active Metal Brazing): 使用活性金属钎焊工艺将铜箔与陶瓷（通常是导热更好的Si₃N₄）焊接，结合强度更高，可靠性更好，特别适用于要求苛刻的SiC模块。

• 问题: 传统的铝线键合是可靠性薄弱点，长期热循环下易疲劳断裂；寄生电感也较高。

3. 先进封装与互连技术 (解决传统封装的痛点，尤其适用于高频高速的SiC和GaN)

这些技术旨在减少或消除引线键合，降低寄生电感和电阻，提升散热性能和功率密度。

• 芯片贴装技术:

• 烧结 (Sintering): 使用纳米银烧结膏等材料，在高温高压下将芯片直接烧结在基板上。相比传统软钎焊（焊锡），烧结层具有接近铜的导热率（~240 W/mK）和更高的熔点（>960°C），极大地改善了散热能力和高温可靠性。已成为高性能SiC模块的标配。

• 互连技术:

• 柔性PCB互连: 使用柔性印刷电路板上的铜箔替代键合线，电感更低，可靠性更高。

• 金属夹互连 (Cu Clip Bonding): 用一个预成型的铜片（Clip）同时连接多个芯片的源极/发射极，大幅减少键合线数量，降低寄生电感和电阻。常见于分立器件（如TOLL封装）和模块中。

• 双面烧结 (Double-Sided Sintering): 芯片上下两面均通过烧结与基板和顶板连接，完全消除了键合线。

• 铜线键合 (Cu Wire Bonding): 用铜线替代铝线，导电和导热性能更好，但需要更高的键合工艺要求。

• 引线键合替代技术:

• 平面互连技术:

• 封装集成技术:

• 扇出型封装 (Fan-Out): 源自消费电子芯片封装，可将多个芯片（如GaN FET、驱动器和无源器件）集成在一个封装体内，实现极高的功率密度和极小的寄生参数，非常适合高频、紧凑的GaN应用。

• 嵌入式封装 (Embedded): 将功率芯片嵌入到PCB层压板中，实现超薄、高集成的解决方案。

4. 封装材料演进

• 基板: 从Al₂O₃ → AlN → Si₃N₄ (AMB)，导热能力不断提升。

• 衬底: 从PCB → DBC → AMB，满足更高功率和绝缘要求。

• 封装外壳: 从塑料环氧树脂 → 高性能工程塑料 → 陶瓷金属密封，满足高温、高湿、高可靠性需求。

• 灌封胶: 从硅凝胶 → 环氧树脂，提供更好的机械保护和绝缘。

第二部分：市场核心应用情况分析

三种材料因其物理特性的不同，在其优势领域形成了互补和替代关系。

总结与展望

1. 材料分工趋于明确: Si 主导成熟、成本敏感型市场；SiC 主导高压、高温、高效率的新能源和工业能源领域；GaN 主导超高频、高功率密度的消费电子和通信领域。三者长期共存并互补。

2. 封装与芯片协同进化: 对于SiC和GaN，“芯片是基础，封装是关键”。先进的封装技术（如烧结、AMB、Cu Clip、集成封装）是释放宽禁带半导体性能潜力的必要前提。没有先进的封装，SiC和GaN的优势将大打折扣。

3. 技术趋势:

• 更高功率密度: 通过三维集成、双面冷却、芯片贴装等技术，在更小体积内处理更大功率。

• 更低寄生参数: 通过平面互连、集成无源器件等方式，满足高频开关需求，减少开关损耗和电压过冲。

• 更高可靠性: 采用烧结、AMB等新材料新工艺，提升器件在高温、高功率循环下的寿命。

• 更高集成度: 将驱动、控制、传感、保护与功率芯片集成，形成“系统级封装（SiP）”，提供更完整的解决方案。

总而言之，功率半导体封装工艺正经历一场深刻的技术变革，以适配并充分发挥SiC和GaN的卓越性能，共同推动着交通电动化、能源绿色化和数字世界的高效运行。

功率半导体器件（Si、SiC、GaN）芯片清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

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