功率模塊開篇

雪消山水見精神，滿眼東風(fēng)送早春。再次祝大家新的一年牛氣沖天，新的一年還望多多支持。半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程想必今年會(huì)有很大的進(jìn)展，越來(lái)越多的應(yīng)用也會(huì)更多地傾向于國(guó)產(chǎn)化。接下來(lái)的一段時(shí)間，我們來(lái)聊聊半導(dǎo)體功率模塊那些事兒，一個(gè)不管何種半導(dǎo)體材料(傳統(tǒng)Si，新興SiC等第三代)都需要考慮的那些事兒。

今天我們先來(lái)從傳統(tǒng)的功率模塊基本結(jié)構(gòu)分層圖來(lái)說(shuō)說(shuō)其構(gòu)成：

可見，我們前面聊的很多的半導(dǎo)體芯片，只是功率模塊中的一部分，除此之外還包括其他的成分。而這些成分的選擇和搭配，再結(jié)合半導(dǎo)體芯片的特性，將決定功率模塊的整體性能。

?功率半導(dǎo)體芯片：如IGBT、FRD、MOSFET等等，傳統(tǒng)Si基和新興的第三代半導(dǎo)體SiC等，它們的特性受制于其本身的設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要看于其搭配的封裝材料和技術(shù)；

?絕緣襯底：主要是由陶瓷或硅化合物構(gòu)成的絕緣層，其上覆蓋金、銀和銅等構(gòu)成的金屬層；

?底板：一般由銅、銅合金、碳基強(qiáng)化混合物、碳化硅鋁等構(gòu)成；

?互連材料：一般分為鉛焊錫和無(wú)鉛焊錫兩類，當(dāng)然也包含銀燒結(jié)、固液互擴(kuò)散連接等新興技術(shù)；

?功率互連主要使用的是鋁線鍵合，還包括壓接式連接和功率端子連接；

功率模塊的每一層之間都是緊密相關(guān)的，它們具有不同的電氣、機(jī)械及熱性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮彼此之間的配合，同時(shí)也可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景產(chǎn)生不同的搭配組合。所以很多半導(dǎo)體模塊的廠家會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用需求來(lái)選擇不同的材料。

功率模塊封裝材料的選擇一般會(huì)考慮下面幾點(diǎn)：

★熱特性

★電氣特性

★機(jī)械特性

★化學(xué)特性

★成本

★技術(shù)成熟度

其中，熱性能是其最主要的因素。功率模塊的選型和使用過(guò)程中考慮得最多的也是熱，以及失效的最主要的因素也是熱，所以熱特性是功率模塊選擇的主要考慮因素。

熱應(yīng)力：在溫度循環(huán)和熱疲勞測(cè)試中，加熱過(guò)程中各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，將導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，如果超過(guò)某層材料的機(jī)械強(qiáng)度限制，將會(huì)產(chǎn)生失效；

熱導(dǎo)率：功率模塊在使用過(guò)程中，半導(dǎo)體芯片將會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，需要通過(guò)基板和底板等進(jìn)行有效地傳輸散熱，以保證芯片的結(jié)溫能夠控制在合適的范圍之內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，較低的芯片結(jié)溫能夠延長(zhǎng)模塊的可靠性，結(jié)溫沒上升9℃，模塊的失效概率將會(huì)增加一倍。

所以，功率模塊的設(shè)計(jì)，除了半導(dǎo)體芯片，其他組成也是一個(gè)需要精心選擇和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

接下來(lái)我們將分別介紹功率模塊各層的材料，希望你們能夠喜歡~