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目录

序

前言

致谢

第章功率半导体封装的定义和分类1

1.1半导体的封装1

1.2功率半导体器件的定义3

1.3功率半导体发展简史4

1.4半导体材料的发展6

参考文献8

第章功率半导体器件的封装特点9

2.1分立器件的封装9

2.2功率模块的封装12

2.2.1功率模块封装结构12

2.2.2智能功率模块14

2.2.3功率电子模块15

2.2.4大功率灌胶类模块16

2.2.5双面散热功率模块16

2.2.6功率模块封装相关技术16

参考文献19

第章典型的功率封装过程20

3.1基本流程20

3.2划片20

3.2.1贴膜21

3.2.2胶膜选择22

3.2.3特殊的胶膜23

3.2.4硅的材料特性25

3.2.5晶圆切割26

3.2.6划片的工艺27

3.2.7晶圆划片工艺的重要质量缺陷29

3.2.8激光划片30

3.2.9超声波切割32

3.3装片33

3.3.1胶联装片 34

3.3.2装片常见问题分析37

3.3.3焊料装片41

3.3.3.1焊料装片的过程和原理41

3.3.3.2焊丝焊料的装片过程46

3.3.3.3温度曲线的设置48

3.3.4共晶焊接49

3.3.5银烧结54

3.4内互联键合 59

3.4.1超声波压焊原理60

3.4.2金/铜线键合61

3.4.3金/铜线键合的常见失效机理72

3.4.4铝线键合之超声波冷压焊73

3.4.4.1焊接参数响应分析74

3.4.4.2焊接材料质量分析76

3.4.5不同材料之间的焊接冶金特性综述82

3.4.6内互联焊接质量的控制85

3.5塑封90

3.6电镀 93

3.7打标和切筋成形97

参考文献99

第章功率器件的测试和常见不良分析100

4.1功率器件的电特性测试100

4.1.1MOSFET产品的静态参数测试100

4.1.2动态参数测试103

4.1.2.1击穿特性103

4.1.2.2热阻103

4.1.2.3栅电荷测试105

4.1.2.4结电容测试106

4.1.2.5双脉冲测试107

4.1.2.6极限能力测试109

4.2晶圆（CP）测试111

4.3封装成品测试（FT）113

4.4系统级测试（SLT）115

4.5功率器件的失效分析116

4.5.1封装缺陷与失效的研究方法论 117

4.5.2引发失效的负载类型118

4.5.3封装过程缺陷的分类118

4.5.4封装体失效的分类123

4.5.5加速失效的因素125

4.6可靠性测试125

参考文献129

第章功率器件的封装设计131

5.1材料和结构设计131

5.1.1引脚宽度设计131

5.1.2框架引脚整形设计132

5.1.3框架内部设计132

5.1.4框架外部设计135

5.1.5封装体设计137

5.2封装工艺设计139

5.2.1封装内互联工艺设计原则139

5.2.2装片工艺设计一般规则140

5.2.3键合工艺设计一般规则141

5.2.4塑封工艺设计145

5.2.5切筋打弯工艺设计146

5.3封装的散热设计146

参考文献150

第章功率封装的仿真技术151

6.1仿真的基本原理151

6.2功率封装的应力仿真152

6.3功率封装的热仿真156

6.4功率封装的可靠性加载仿真157

参考文献161

第章功率模块的封装162

7.1功率模块的工艺特点及其发展162

7.2典型的功率模块封装工艺164

7.3模块封装的关键工艺170

7.3.1银烧结171

7.3.2粗铜线键合172

7.3.3植PIN174

7.3.4端子焊接176

第章车规级半导体器件封装特点及要求178

8.1IATF 16949：2016及汽车生产体系工具179

8.2汽车半导体封装生产的特点186

8.3汽车半导体产品的品质认证187

8.4汽车功率模块的品质认证191

8.5ISO 26262介绍193

参考文献194

第章第三代宽禁带功率半导体封装195

9.1第三代宽禁带半导体的定义及介绍195

9.2SiC的特质及晶圆制备196

9.3GaN的特质及晶圆制备198

9.4第三代宽禁带功率半导体器件的封装200

9.5第三代宽禁带功率半导体器件的应用201

第章特种封装/宇航级封装204

10.1特种封装概述204

10.2特种封装工艺206

10.3特种封装常见的封装失效210

10.4特种封装可靠性问题213

10.5特种封装未来发展217

参考文献221

附录半导体术语中英文对照222

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前言/序言

半导体产业又称集成电路产业，是电子工业的心(芯)脏产业，集成电路是集多种高技术于一体的高科技产品，几乎存在于所有工业部门，决定着一个国家的装备水平和竞争实力。半导体产业是信息产业的核心，属于国家战略性基础产业。半导体产业是当今世界发展非常迅速和竞争非常激烈的产业之一。半导体产业链很复杂，设计、制造、封测、设备、材料、EDA、IP，直至芯片成品，其中每一个环节都需要非常专业的知识。

芯片的大体制备流程包括芯片设计→圆晶制造→封装测试。 所谓半导体 “封（Packaging）”，是芯片生产过程的一道工序，是将集成电路用绝缘的材料包封的技术。封装工艺主要有以下功能：功率分配（电源分配）、信号分配、散热通道、隔离保护和机械支持等。封装对于芯片来说是必需的，也是不可或缺的一个环节，因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能的下降。另外，封装后的芯片也更便于安装和运输。可以说封装是半导体集成电路与电路板的连接桥梁，封装技术的好坏还直接影响到芯片自身的性能和印制电路板（Print Circuit Board，PCB）的设计与制造。半导体封装和测试行业相比半导体芯片晶圆制造（前道）来说具有投资少、风险低、回报快、劳动力相对集中的特点，对技术设备等要求也没有前道工序复杂和高。二十世纪八九十年代以来，由于引进外资和开放力度的加强，长三角、珠三角以及天津地区陆续投资了许多半导体封装和测试的外资公司，这些公司带来的技术和资金以及先进的管理思维，再加上当地政府的扶持，各方资源的优化，发展很快。目前我国的半导体封装和测试行业在世界半导体产业链中已经形成一定的规模优势，成为许多著名半导体公司的重要加工基地，已经形成了一定的规模优势。

我国第一次走入芯片发展史是在轰轰烈烈的“一五”计划前后。我国的半导体技术和工业体系也是在此阶段建立起来的。1958年起，上海元件五厂、上海电子管厂和上海无线电十四厂等先后成立。浙江和江苏也建立起一批半导体企业。上海的半导体工业在当时处于全国前列。1968年，上海又组建无线电十九厂，与北京的东光电工厂并驾齐驱。1980年，无锡江南无线电器材厂（742厂）宣布从日本东芝公司引进彩色和黑白电视机集成电路5μm全套生产线。这是我国第一次从国外引进集成电路技术。1986年，电子工业部在厦门召开集成电路发展战略研讨会，提出了“七五”（1986～1990年）期间的“531”发展战略，并决定在上海和北京建设两个微电子基地。1988～1995年，上海先后成立上海贝岭、上海飞利浦、上海松下等半导体公司。1988年，871厂绍兴分厂改名为华越微电子有限公司，建起了规模化、现代化的集成电路 IDM 模式，产量曾多年位居全国第二，并为浙江培养了大量的集成电路生产人才。1998年，上海贝岭在上交所上市，成为我国集成电路行业的上市企业。

随着国家对集成电路产业的日益重视，更大规模的“908工程”（1990年）和“909工程”（1995年）也启动了。“908工程”的重点是无锡华晶，目标是突破超大规模集成电路。然而实际情况是建设周期太长，待生产线建成投产时，技术水平已落后于国际主流。在一系列曲折探索后，1995年出台的“909工程”吸取之前的经验教训，确定了我国电子工业一笔投资规模达100亿元的项目。1997年，上海华虹与日本电气（NEC）合资组建华虹NEC，不到两年时间就建成并投片64MB的DRAM，“抓住了半导体高潮的尾巴”，当年实现盈利。2000年创立的中芯国际，钉下了上海乃至我国造芯史上的关键节点。3年时间，中芯国际就建立起4条8in生产线和1条12in生产线，到2005年就已成为全球第三大晶圆代工厂。这样的速度，全世界独此一家。在中芯国际落成后，世界芯片代工企业也纷纷落户上海。短短两三年时间，到2003年上半年，上海已拥有芯片代工企业11家，已建和在建的生产线18条，其中10条为8in生产线，占全国70％以上。江苏的苏州、无锡，也紧紧抓住了这一波外资和人才的浪潮。

2013年，我国集成电路产业总产值达到405亿美元，占全球比重已经达到13.3%。2014年9月，被称为“大基金”的国家集成电路产业基金挂牌成立，规模上千亿。无锡长电成为“大基金”的支持企业之一，在2015年收购星科金朋，成为全球第三大芯片封测巨头；通富微电并购AMD封装厂成为国内W一封装CPU、GPU的OSAT工厂；之前坐看省内“赛马”的南京也突然发力，短短几年时间，南京已经形成了一个芯片半导体产业集群，江苏的集成电路实力更是如虎添翼。上海在互联网发展*快的2000年之后，倾尽资源支持集成电路发展，在张江高科里聚集了各类芯片设计、制造、服务公司，曾经产值占全国一半。加上浙江士兰微、斯达等国内IDM公司的涌现，再结合长三角地区本来就领先的人文、人才教育资源，使得长三角地区成为了我国的“硅谷”区域的初步雏形。

半导体封装伴随着半导体的制造也是历经起伏，不过因为技术特点相对简单，投资密度小，没有半导体制造波动那么大。但也经历了以下发展阶段：

第一阶段是在20世纪70年代以前，主要是通孔插装型封装。典型封装形式有：金属圆形(TO型)封装、陶瓷双列直插封装(CDIP)、塑料双列直插封装(PDIP)等。

第二阶段是在20世纪80年代以后，主要是表面贴装型封装。典型封装形式有：塑料有引线片式载体(PLCC)封装、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)、无引线四边扁平封装(PQFN)。

第三阶段是在20世纪90年代以后，主要是焊球阵列封装 (BGA)、圆片级封装(WLP)、芯片尺寸封装(CSP)。典型封装形式有：塑料焊球阵列封装(PBGA)、陶瓷焊球阵列封装(CBGA)、载带焊球阵列封装( TBGA)、带散热器焊球阵列封装( EBGA)、倒装焊球阵列封装(FCBGA)、引线框架型CSP封装、柔性刚性线路封装（CSP）、晶圆片级芯片规模封装（WLCSP）等。同时，这一阶段是我国改革开放吸引外资的经济腾飞阶段，90年代中期，许多外资IDM公司和芯片封测服务世界排名前列的头部企业纷纷在长三角和珠三角地区设立封测工厂，比较典型的如三星、超微、英特尔、仙童、瑞萨、英飞凌等IDM公司在苏州、上海、无锡建设自己的封测工厂，星科金鹏、日月光和安靠等在上海建立封测服务工厂等。这些外资工厂带动了我国半导体产业加速发展，并为我国半导体封测行业培养了一大批技术管理人才。

第四阶段是从20世纪末开始，主要是多芯片组件(MCM)、系统级封装(SIP)、三维立体(3D)封装。典型封装形式有：多层陶瓷基板(MCMC)、多层薄膜基板 (MCMD)、多层印制板(MCML)。

第五阶段是从2010年左右开始，主要是系统级单芯片封装(SoC)、小芯片封装、微机电系统(MEMS)封装等。

作者于1997年进入半导体封装行业，服务过的公司有三星、仙童、霍尼韦尔和通富微电，基本见证了我国半导体封装的高速发展历程。因为长期从事功率半导体封装有关的技术工作，积累了一些经验和心得，值此半导体行业大发展时期，做些整理、总结和归纳的工作，希望在此基础上与业界专家和学者共同探讨激发创新，并给有志于加入我国半导体封装队伍的新一代半导体封装工作者做个技术入门和参考。

本书主要阐述功率半导体封装技术发展的历程及其涉及的材料、工艺、结构设计及质量控制和认证等方面的基本原理、方法及经验，限于水平，书中难免会有错误和遗漏的地方，希望各专家学者给予批评指正。本书可以作为各大专院校微电子、集成电路及半导体封装专业开设封装课程的规划教材和辅助用书，也可供半导体封装从业者参考。

朱正宇

2022年1月于南通

功率半导体器件是进行电能（功率）处理的半导体器件，是电力电子装备与节能减排的核心基础器件，在目前全球“双碳经济”中发挥着越来越重要的作用。

随着20世纪70年代中后期将集成电路工艺引入功率半导体器件制造中，以功率MOS器件为代表的场控型功率半导体器件逐渐成为功率半导体器件的主流，基于BCD多模工艺集成平台的功率集成电路市场不断扩大，功率半导体器件向高频、低功耗、高功率密度、更多功能集成和高性价比方向发展。近几年，以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带功率半导体器件的快速崛起，更进一步推动了功率半导体器件的发展。在市场的推动下，功率半导体器件正向着以持续推进器件结构、制造工艺和功能集成等领域创新的“More Devices”以及以系统牵引、先进封装和新型拓扑架构等多学科交叉的“More than Devices”两个维度融合发展。

在此大背景下，功率半导体封装已不再局限于传统的电连接和支撑保护功能，其在功率半导体器件电性能和可靠性中发挥着越来越重要的作用。银烧结、铜线键合等新材料和新工艺不断地被引入到功率半导体封装中，双面冷却封装、薄片压接式封装、多片式集成功率模块乃至异质多芯片功率模块等新型封装技术不断出现。

虽然功率半导体封装发展迅速，但介绍功率半导体封装的书籍却异常缺乏。感谢朱正宇先生等几位同仁，感谢他们以自身多年的功率半导体封装经验为基础，撰写了这本关于功率半导体器件封装的书籍，从功率半导体封装的定义和分类开始，介绍了功率半导体器件封装的特点、流程和封装设计技术。这本书不仅对功率半导体封测行业从业人员大有裨益，对功率半导体器件设计与应用人员也是一本极好的参考书籍。

电子科技大学张波

2021年12月于成都

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