功率器件封装结构的散热类型及设计原则
2023-05-15 14:20:22

针对功率器件的封装结构,国内外研究机构和 企业在结构设计方面进行了大量的理论研究和开 发实践,多种结构封装设计理念被国内外研究机构 提出并研究,一些结构设计方案已成功应用在 商用功率器件上。

功率器件自身的属性及其特殊的服役环境决 定了封装器件内部总是受到电场、热以及应力等多 种场效应相互耦合的综合作用。功率器件的结 构设计,应首先要满足电气绝缘要求,在此基础上 兼顾结构设计对封装散热、芯片及封装各部件间受 力等其他方面的影响。从器件散热的角度,封装结 构设计应当遵循散热路径低热阻、尽可能多散热路 径和传热路径上的接触面积尽可能大的原则。这就 要求在设计之初,就应考虑到封装材料的选择、散 热路径的设计、散热路径上各部件接触界面的面积 等。但这些不可避免的增加了封装设计和工艺实现 的难度,一种功率器件的封装实践往往是考虑多种 因素的折中。从目前国内外对于功率器件的研究 和开发现状来看,具备耐高温、多散热路径和大面积连接的封装特征是未来功率器件封 装的发展趋势,也是满足未来高压、大功率器件工 作性能要求的必然选择。

目前传统 Si 基芯片的最高结温不超过 175℃,温度循环的范围最大不超过200℃。相比 Si 器件, SiC 器件在导通损耗、开关频率和具有高温运行能力方面具有明显的优势,最高理论工作结温更是高达 600℃。SiC宽禁带半导体功率器件更高的开关频率,可以降低无源器件的重量,占用的封装体积也更小,因此可以提高功率器件的功率密度,同时 SiC 器件具有更高的热导率,可以更高效的把芯片耗散热排出。从器件封装结构散热路径的角度可以将功率器件分为以下:

(1)封装结构单面散热:键合线类单面散热、无键合线单面散热

(2)封装结构双面散热:单基板双面散热、双基板双面散热、无基板双面散热

(3)结构多面散热

目前多面散热封装器件的研究和开发 还比较少,高压方面仅限于二极管,低压方面已有 SiC MOSFET的封装尝试。功 率器件的封装,最终呈现的是多因素的综合,在拓 展散热路径的同时,满足封装绝缘要求是至关重要 的。面对器件高压大功率的发展趋势,高绝缘和高 散热能力是未来器件封装需要考虑的首要因素。

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