功率半导体器件的分类和封装介绍

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01功率半导体器件

功率半导体器件,也就是我们说的电力电子器件,是一种广泛用于电力电子装置的电能变换和控制电路方面的半导体元件。电力电子装置的基本构思是把连续的能量流切割成能量小包,处理这些小包并输送能量,在输出端使之重新成为另一种连续的能量流,而这些主要便是依靠功率半导体器件及特定的电路结构来实现的。下面列举了电力电子器件的一些应用场合:

 

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功率半导体按照不同的分类标准可以进行如下分类:

①按照控制特性分类

不控型器件:即正向导通反向阻断,如常见的功率二极管;

半控型器件:除了正负极,还有控制极,一旦开通无法通过控制极(栅极)关断,这类主要是指晶闸管(Thyristor)和它的派生器件;

全控型器件:可通过栅极控制开关,常见的有双极结型晶体管(BJT)、栅极关断晶闸管(GTO)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等等。

②按照载流子性质不同分类

双极型:即电子和空穴同时参与导电,常见的有BJT、GTO;

单极型:只有电子或者空穴的一种载流子参与导电,常见的有结型场效应晶体管(JFET)、MOSFET、静电感应晶体管(SIT)等;

混合型:常见的有IGBT、电子加强注入型绝缘栅晶体管(IEGT)等。

③按照驱动方式分类

电流型控制器件:主要是可控硅(SCR)、BJT、GTO;

电压型控制器件:以MOSFET和IGBT为主;

光控型器件:以光控晶闸管为主要代表。

④按照不同的制备材料分类

主要分为硅器件,以及以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为主的宽禁带器件。

不同的应用场合根据所需半导体器件的电流电压等级来选择器件的种类。

02、功率器件封装介绍

封装是沟通芯片和外部电路的桥梁,其主要功能有:

①实现芯片和外界的电气连接;

②为芯片提供机械支撑,便于处理和焊接;

③保护芯片,防止环境的物理或化学损伤;

④提供散热通道。

半导体器件的功率大小是决定其封装类型的主要依据,下面给出了几种主要功率器件封装的g功率范围:
 

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分立式(Discrete)封装普遍应用于小功率范围。这种封装的器件要焊接到印刷电路板上。由于其功率损耗相对较小,散热要求不太高,这种封装的设计大多不采用内部绝缘,因而每个封装中只能有一个开关。晶体管大多数采用这种类型的封装,因此称之为"晶体管外形"(TO,Transistor Outline)封装,如TO-220和TO-247比较流行的TO封装形式。

 

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分立式封装的设计需要实现如下功能:

①负载电流和控制信号的传导;

②散热;

③保护器件不受环境影响;

MOSFET是采用TO封装最常见的功率器件。对于MOS,目前已经成功实现了对导通电阻Ron的大幅降低。于是TO封装的缺陷就逐步凸显出来了,TO封装的寄生电阻和Ron有着相同大的数量级。由于PCB的通孔是标准的,且需要满足和保持引线间的最小绝缘距离要求,所以不能简单的通过对引脚的截面积加粗,但可以盖面截面积的形状来降低引脚的寄生电阻,如下图:

 

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TO封装的另一个弱点是,为了减小成本而基本采用铝线连接。要改善电阻损耗只有加粗导线或者增加引线数量,但是这样一来,杂散电感又是一个问题。所以,为了尽可能高效地利用有限地PCB空间,IC器件地便面贴装技术(SMT)也被用到了小功率器件,主要有SOT、SOP等封装类型,如:

 

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中大功率的应用则由单管向模块封装发展。单管和模块各有优势,应用场景和具体需求不同而使两者依旧在朝前发展。

分立式封装中还有一种叫作压接封装(Press Packs)或饼形封装(Capsules)的,主要应用于功率模块尚不能达到的高功率范围。在极高功率范围,功率芯片的大小可以是一个整晶圆,如下图,所以具有圆形管脚的培养皿型封装是圆形芯片的理想封装形式。

 

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为了均衡压力,避免出现压力峰值,鬼期间装在两块金属片之间。钼因其高硬度和良好的热膨胀系数则成为最理想的金属材料。硅芯片在阳极一侧与一块钼圆盘底座刚性地烧结在一起,然后在阴极一侧压接到第二个钼圆片上,使芯片处于封装内部中央对准地位置。
 

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