针对宽禁带半导体的封装技术革新

先进电力电子封装的趋势反映了电子行业的整体封装趋势。这些趋势包括采用芯片级封装 (CSP)、3D 封装、3D 打印（也称为增材制造）和先进的热管理材料。在电力电子领域，这些趋势受到采用氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 宽禁带功率半导体的影响。

CSP和异构集成

传统的功率半导体封装是为硅器件开发的。由于 GaN 晶体管比相应的 Si 器件小得多，因此当 GaN 被引入市场时，可用的封装要大得多。此外，由于寄生效应，限制了快速开关 GaN 晶体管的性能，并增加了热阻抗和电阻。此外，现有封装适应垂直 Si 功率 MOSFET，横向 GaN 开始启用并受益于 CSP 的发展。

所有电连接都在横向 GaN 晶体管的同一侧。对于 CSP GaN 器件，“引线”放置在器件表面。将零件翻转过来，可以将其直接焊接到印刷电路板 (PCB) 上。可以将“引线”直接放置在设备表面上，而不是塑料模制封装中。将零件翻转过来，它可以直接安装到 PCB 上。

EPC1001 是第一款 CSP GaN 功率晶体管（图片：EPC）

在另一种功率 CSP 方法中，设计用于容纳 GaN 或 SiC 功率器件，该器件封装在高导热材料中。 5mm x 6mm CSP 消除了传统分立封装的夹子和导线互连，提供了与 PCB 的直接源极/漏极/栅极连接。该 CSP 最大限度地扩大了源极和漏极连接区域，并消除了有损互连。

具有集成硅驱动器的 GaN 功率晶体管的异构封装可以进一步减小解决方案尺寸并最大限度地减少性能限制寄生效应。栅极驱动器和功率器件之间的紧密耦合最大限度地减少了振铃和过冲。晶圆级修复可用于调整控制器以匹配耦合的 GaN HEMT。并且 GaN-on-Si 功率器件和 Si 控制器之间匹配的热膨胀系数 (CTE) 可以提高温度循环可靠性。

GaN功率器件和Si控制器的异构集成。 （图片：GlobalFoundries）

用于大功率系统的电源模块

目前使用的典型功率模块封装结构。 （图片：IEEE）

用于汽车电源转换器、不间断电源、电机驱动器和工业系统的大功率转换器的传统电源模块旨在最大限度地提高热性能。热管理考虑是新兴电源 PCB（也称为 PCB 嵌入式）技术的主要挑战之一。与半导体材料相比，传统 PCB 材料的玻璃化转变温度 (Tg) 低且 CTE 高，因此最高工作温度受到限制。与传统电源模块相比，电源 PCB 中的嵌入材料在高温下会变得不稳定。这限制了该技术的最大功率处理能力约为 50kW，这阻碍了汽车应用的广泛采用。为了解决这个限制，必须开发与功率器件更热兼容的先进材料。而且这些新材料必须是低成本的。

带有嵌入式半导体开关的电源 PCB。在未来的设计中，IGBT 可能会变成宽禁带材料。 （图片：IEEE）

基于压力的电源模块组装也很常见。压接式功率模块中的接头采用压接法，比其他功率模块中使用的引线键合、烧结或焊接更简单，通常也更可靠。并且基于压力的粘合可以降低成本。这种类型的封装主要用于固定应用和不经历频繁热循环的系统。汽车和运输应用会经历大范围的振动和温度循环，通常不适合采用压接式电源模块。

更高级的设计使用可压缩中介层实现基于压力的连接。在一种情况下，具有柔性结构（称为模糊底部）的压力接触中介层用于堆叠 3D 封装。由此产生的结构对夹持压力分布具有更大的容差，并在传导电流时将趋肤效应降至最低。钼 (Mo) 和铜 (Cu) 板用于施加夹紧压力。

压装结构显示了 Mo 基板、SiC MOSFET 和底部结构。 （图片：IEEE）

在另一种配置中，铍 (Be) / 铜弹簧用于形成压接模块的压缩触点。 Be 是最轻的金属之一，兼具高强度、高抗疲劳性和高导热性。但是 Be 比 Mo 贵得多。

用于电力电子的 3D 打印

3D 打印正在开发用于各种电源转换应用，包括电动汽车 (EV) 逆变器和电池充电器的生产。当使用 SiC 或其他宽带隙器件时，3D 打印可能特别有用，这些器件的性能无法通过传统的功率模块组装技术轻松实现最大化。电动汽车电源转换器的 3D 打印技术正在开发中，可以克服与热管理、电噪声和封装体积相关的限制，同时支持大批量和具有成本效益的制造。按照目前的设想，3D打印将有选择地与传统的功率模块封装相结合。

例如，3D 打印的热基板具有复杂的内部晶格结构，壁厚不到 1 毫米，在减轻重量的同时最大限度地提高了热性能。将 3D 打印热基板与传统设计的功率模块封装相结合，可使载流能力提高 10%，从而提高模块的功率密度。

3D 打印还可以制造具有优化 3D 几何形状的互连。这些互连将用于使栅极驱动器更靠近 SiC 功率开关，进一步缩小解决方案的尺寸并降低驱动电路中的环路电感，这将支持更高的开关频率，从而使用更小的无源元件和减少额外的功率转换器尺寸。最后，更优化的驱动设计有望减少 EMI 的产生，这也将有助于实现更简单、更小的逆变器设计。

具有汇流条连接（顶面）的 3D 打印 SiC 逆变器模块的渲染图，该模块直接连接到冷板内的传热晶格。 （图片：汽车工程师协会）

3D打印功率无源器件

向宽禁带器件的过渡不可避免改变当前的电力电子解决方案。传统方法和设计无法与电力电子领域潜在 3D 解决方案的复杂性、重量减轻和集成水平相匹配。将需要 3D 打印磁性和其他无源组件、集成冷却和打印外壳/结构来满足热、机械和体积要求。

3D 打印将使定制电感器、电阻器和电容器的制造成为可能。它可以产生优质的电容器和电阻器。然而，电感线圈尺寸控制不佳（线圈线宽和间距）会导致不均匀性，从而对电气特性产生负面影响。电感线圈制造需要更高分辨率的 3D 打印。

今天，磁性元件的磁芯和绕组是分开制造的，导致性能限制和物理尺寸限制。正在为 3D 打印磁性组件开发新的几何形状，从而缩小组件尺寸并提高运行效率。但是需要更先进和更精确的 3D 打印技术，并且正在开发中。这不再是 3D 打印能否成功应用于电力电子应用的问题，而是如何在大规模生产水平上经济高效地完成的问题。

用于功率转换的无源器件的 3D 打印。 (a) 每个组件的两阶段印刷过程，首先构建聚合物负片，然后是液态金属填充和剩余的后处理：(b) 组件示意图：(c) 与硬币相比的成品组件尺寸。 （图片：IEEE）

先进的热界面材料

在电子结点附近实现高热导率 (HTC) 与低热边界电阻（TBR 是界面对热流的阻力）的组合是高性能热管理系统的关键。金刚石被认为是用于高性能电力电子冷却的领先 HTC 材料。不幸的是，GaN-金刚石界面的 TBR 较差，这降低了金刚石在热管理方面的应用潜力。

使用德拜近似方法，使用线性声子色散估计材料的振动特性。最高声子频率的最高温度定义为德拜温度 (ΘD)。为了实现低 TBR，构成界面的两种材料必须具有相似的 ΘD。硅、锗、砷化镓和氮化镓以及大多数金属的 ΘD 值小鱼 700 K。金刚石的 ΘD 超过 2,000 K。砷化硼 (Bas) 的 ΘD 约为 700 K，使其可能是钻石的优越替代品。

微芯片封装界面处的 TBR。 TBR = ΔT/Q，其中 ΔT 和 Q 分别是界面上的温降和热通量（图片：UCLA 和 Nature Electronics）

用于热管理的 BAs 衬底可以与金属和宽带隙器件（如 GaN 晶体管）异质集成。 GaN-on-BAs 结构具有高热边界电导，BAs 的功率冷却性能超过金刚石。而且，与基于金刚石的解决方案相比，使用带有 BA 冷却基板的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的热点温度要低得多。这使得 BA 成为冷却下一代高功率射频系统的可能解决方案。不幸的是，与金刚石一样，立方 BAs 的合成具有挑战性，其单晶形式通常存在缺陷。正在努力开发商业上可行的 BAs 合成方法。

概括

先进电力电子封装的趋势在很大程度上受到采用 GaN、SiC 和其他宽禁带半导体技术的影响。 宽禁带的电力电子封装已经借鉴并建立在更广泛的电子行业的封装发展中，包括芯片级封装和异构集成。为了从这些先进的宽禁带功率器件中获得最大性能，需要一系列额外的技术开发，例如 3D 打印和先进的热管理材料。