功率半導體元件與封裝解析：從傳統TO封裝到異質多晶片模組，解析驅動、保護、散熱等全方位功率封裝設計核心
活動訊息
內容簡介
深入功率模組、智慧封裝與散熱技術，
掌握SiC、GaN等第三代半導體的應用全景與產業動態
▎功率半導體的關鍵角色與發展背景
本書開篇指出，功率半導體元件是實現電能轉換與控制的核心技術，尤其在低碳經濟與能源轉型的時代背景下，扮演至關重要的角色。自1970年代以來，積體電路製程逐漸引入功率半導體領域，場效型功率元件如功率MOSFET及IGBT迅速興起，推動了元件向高頻、低功耗及高整合度的方向發展。近年來，碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬能隙材料的崛起，更進一步擴大了功率半導體的應用領域。這些技術不僅提升了能源使用效率，也推動了新能源汽車、節能家電、智慧電網等產業的快速成長。
▎功率半導體封裝的技術與演進
本書深入探討功率半導體封裝的定義、分類及其演進歷程。封裝不再僅僅是物理保護，更肩負電效能、散熱與絕緣的多重功能。封裝技術經歷了從通孔插裝到表面貼裝，再到球柵陣列（BGA）、晶圓級封裝（WLP）以及三維封裝（3D）的五個發展階段。特別是在功率型封裝領域，因應高電流、高電壓的應用需求，散熱與材料選擇成為設計重點。銀燒結、銅線接合等新技術，以及雙面散熱、異質多晶片整合等封裝方案，正成為新一代封裝的核心。
▎功率模組封裝的應用與創新
針對功率模組封裝，本書詳細介紹了各類模組如智慧功率模組（IPM）、功率電子模組（PEBB）及高功率灌膠模組的設計與製程。透過多晶片混合封裝、DBC基板應用、銀燒結與粗銅線接合等技術，解決了大電流、散熱與電磁干擾等挑戰。模組的智慧化與系統整合，使功率元件不再單一存在，而是結合驅動、控制、保護等功能於一體，為新能源車輛、工業自動化等領域提供更高效、可靠的解決方案。
▎未來發展與材料創新展望
本書最後展望功率半導體材料與封裝技術的未來發展。第三代半導體材料如SiC與GaN，以其高壓、高頻、高溫的特性，將逐步取代矽基產品，尤其在電動車、風力發電、太陽能等應用中。封裝技術也朝向高密度、小型化、系統級封裝（SiP）邁進，以滿足功率密度提升與能源效率的需求。作者並強調，隨著新材料與製程技術的成熟，功率半導體封裝將在提升裝置效能、降低成本與提高可靠性方面發揮更大潛力。
【本書特色】：
本書系統性梳理功率半導體封裝的全貌，涵蓋從基礎定義、分類到先進封裝技術與製程應用，內容詳實且結合理論與實務。書中特別著墨於碳化矽、氮化鎵等第三代半導體材料的封裝挑戰，並介紹多晶片模組、智慧功率模組、銀燒結等創新技術。適合半導體封裝、設計與應用領域的工程師、研究人員及學界參考。
掌握SiC、GaN等第三代半導體的應用全景與產業動態
▎功率半導體的關鍵角色與發展背景
本書開篇指出，功率半導體元件是實現電能轉換與控制的核心技術，尤其在低碳經濟與能源轉型的時代背景下，扮演至關重要的角色。自1970年代以來，積體電路製程逐漸引入功率半導體領域，場效型功率元件如功率MOSFET及IGBT迅速興起，推動了元件向高頻、低功耗及高整合度的方向發展。近年來，碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬能隙材料的崛起，更進一步擴大了功率半導體的應用領域。這些技術不僅提升了能源使用效率，也推動了新能源汽車、節能家電、智慧電網等產業的快速成長。
▎功率半導體封裝的技術與演進
本書深入探討功率半導體封裝的定義、分類及其演進歷程。封裝不再僅僅是物理保護，更肩負電效能、散熱與絕緣的多重功能。封裝技術經歷了從通孔插裝到表面貼裝，再到球柵陣列（BGA）、晶圓級封裝（WLP）以及三維封裝（3D）的五個發展階段。特別是在功率型封裝領域，因應高電流、高電壓的應用需求，散熱與材料選擇成為設計重點。銀燒結、銅線接合等新技術，以及雙面散熱、異質多晶片整合等封裝方案，正成為新一代封裝的核心。
▎功率模組封裝的應用與創新
針對功率模組封裝，本書詳細介紹了各類模組如智慧功率模組（IPM）、功率電子模組（PEBB）及高功率灌膠模組的設計與製程。透過多晶片混合封裝、DBC基板應用、銀燒結與粗銅線接合等技術，解決了大電流、散熱與電磁干擾等挑戰。模組的智慧化與系統整合，使功率元件不再單一存在，而是結合驅動、控制、保護等功能於一體，為新能源車輛、工業自動化等領域提供更高效、可靠的解決方案。
▎未來發展與材料創新展望
本書最後展望功率半導體材料與封裝技術的未來發展。第三代半導體材料如SiC與GaN，以其高壓、高頻、高溫的特性，將逐步取代矽基產品，尤其在電動車、風力發電、太陽能等應用中。封裝技術也朝向高密度、小型化、系統級封裝（SiP）邁進，以滿足功率密度提升與能源效率的需求。作者並強調，隨著新材料與製程技術的成熟，功率半導體封裝將在提升裝置效能、降低成本與提高可靠性方面發揮更大潛力。
【本書特色】：
本書系統性梳理功率半導體封裝的全貌，涵蓋從基礎定義、分類到先進封裝技術與製程應用，內容詳實且結合理論與實務。書中特別著墨於碳化矽、氮化鎵等第三代半導體材料的封裝挑戰，並介紹多晶片模組、智慧功率模組、銀燒結等創新技術。適合半導體封裝、設計與應用領域的工程師、研究人員及學界參考。
目錄
序
前言
致謝
第1章 功率半導體封裝的基礎與分類概述
第2章 功率半導體元件的封裝特性與應用考量
第3章 功率封裝的典型製程與工藝解析
第4章 功率元件的測試方法與常見不良解析
第5章 功率元件封裝的設計原則與策略
第6章 功率封裝的模擬分析與技術應用
第7章 功率模組封裝技術與系統整合
第8章 車用規格半導體封裝的特點與技術要求
第9章 第三代寬能隙功率半導體的封裝挑戰與對策
第10章 特種封裝與航太級封裝技術
附錄 半導體術語中英文對照表
前言
致謝
第1章 功率半導體封裝的基礎與分類概述
第2章 功率半導體元件的封裝特性與應用考量
第3章 功率封裝的典型製程與工藝解析
第4章 功率元件的測試方法與常見不良解析
第5章 功率元件封裝的設計原則與策略
第6章 功率封裝的模擬分析與技術應用
第7章 功率模組封裝技術與系統整合
第8章 車用規格半導體封裝的特點與技術要求
第9章 第三代寬能隙功率半導體的封裝挑戰與對策
第10章 特種封裝與航太級封裝技術
附錄 半導體術語中英文對照表
試閱
第1章 功率半導體封裝的基礎與分類概述
1.1 半導體的封裝
如前言所述，半導體封裝在半導體產品走向應用的過程中，發揮承先啟後的作用，一般來說，封裝主要提供以下功用：
1）保護晶片，使其免受外界損傷；
2）重新分配輸入／輸出（I/O），為後續的板級裝配提供足夠的空間；
3）對多晶片內互連，可以使用標準的內互連技術進行互連，也可採用其他互連方式來實現電氣效能從晶片向外界傳遞的功能；
4）為晶片提供一定的耐受性保護要求，滿足溫度、壓力或化學等環境條件下的使用要求。按照不同的解讀方式，封裝可以分為以下幾種：
1）按照和PCB連接方式的不同，分為通孔直插式封裝（Through Hole Technology，THT）和表面貼片式封裝（Surface Mount Technology，SMT）。
2）按照封裝材料，分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑膠封裝。積體電路早期的封裝材料是採用有機樹脂和蠟的混合體，用充填或灌注的方法來實現封裝，顯然可靠性很差。也曾應用橡膠來進行密封，由於其耐熱、耐油及電效能都不理想，而被淘汰。使用廣泛、效能最為可靠的氣密密封材料是玻璃─金屬封接、陶瓷─金屬封接和低熔玻璃─陶瓷封接。出於大量生產和降低成本的需求，塑膠模型封裝開始大量湧現，它是以熱固性樹脂透過模具進行加熱、加壓來完成的，其可靠性取決於有機樹脂及添加劑的特性和成型條件，但由於其耐熱性較差，同時具有吸溼性，還不能與其他封接材料效能相當，尚屬於半氣密或非氣密的封接材料。積體電路發展初期，其封裝主要是在半導體電晶體的金屬圓形外殼基礎上，增加外引線數而形成的。但金屬圓形外殼的引線數，受結構的限制，不可能無限增加，且這種封裝引線過多也會不利於積體電路的測試和安裝，從而出現了扁平式封裝。扁平式封裝不易銲接，隨著波銲技術的發展，又出現了雙列式封裝。由於軍事技術的發展和小型化的需求，積體電路的封裝又有了新的變化，相繼產生了片式載體封裝、四方引線扁平封裝、針柵陣列封裝、載帶自動銲接封裝等。同時，為了適應積體電路發展的需求，還出現了功率型封裝、混合積體電路封裝，以及適應某些特定環境和要求的恆溫封裝、抗輻射封裝和光電封裝。且各類封裝逐步形成系統，引線數從幾條直至上千條，已能充分滿足積體電路發展的需求。
3）按使用環境要求，可分為抗輻射封裝、常溫封裝；
4）按照應用和封裝外形，分為功率型封裝、混合積體電路封裝、光電封裝、記憶體封裝、處理器封裝等，比如，TO封裝、模組封裝，DIP、SOP、PLCC、QFP、QFN、BGA、CSP、Flip－Chip，以及COG、COF等不同封裝類型，可以有交叉，也可以只是單一的品種。我們所介紹的封裝主要是功率型封裝，從材料上來說，涵蓋了塑封、陶瓷和多種基板類型；從安裝方法來說，既有直插式，也有表面貼裝式。所謂功率型封裝是指應用於功率場所的封裝，和一般積體電路封裝明顯的差別是：功率元件一般用在大電流、高電壓的應用場景，因此散熱是功率封裝首先需要考慮和解決的問題，其次是材料的選擇和相應的製程路線。功率半導體元件是電力電子應用產品的基礎。近年來，由於元件被應用的需求所激勵，發展很迅速。一代新元件總會帶動新一代裝置登上應用的舞臺，使之體積更小，質量更輕，更加安全可靠，更加節能，並開拓出更新的應用領域。半導體離散元件作為半導體元件基本產品門類之一，是介於電子整機行業和原材料行業之間的中間產品，是電子資訊產業的基礎和核心領域之一。近年來，隨著全球範圍內電子資訊產業的快速發展壯大，半導體離散元件──特別是功率半導體離散元件──市場一直保持較好的發展態勢。這些元件是以功率整合為特點，有單晶片上的功率整合，也有功率元件與控制電路的模組整合，有功率、數位和類比電路構成子系統的多晶片整合，有封裝時將多個功能不同的晶片整合在一個外殼或一個模組裡的整合。
1.1 半導體的封裝
如前言所述，半導體封裝在半導體產品走向應用的過程中，發揮承先啟後的作用，一般來說，封裝主要提供以下功用：
1）保護晶片，使其免受外界損傷；
2）重新分配輸入／輸出（I/O），為後續的板級裝配提供足夠的空間；
3）對多晶片內互連，可以使用標準的內互連技術進行互連，也可採用其他互連方式來實現電氣效能從晶片向外界傳遞的功能；
4）為晶片提供一定的耐受性保護要求，滿足溫度、壓力或化學等環境條件下的使用要求。按照不同的解讀方式，封裝可以分為以下幾種：
1）按照和PCB連接方式的不同，分為通孔直插式封裝（Through Hole Technology，THT）和表面貼片式封裝（Surface Mount Technology，SMT）。
2）按照封裝材料，分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑膠封裝。積體電路早期的封裝材料是採用有機樹脂和蠟的混合體，用充填或灌注的方法來實現封裝，顯然可靠性很差。也曾應用橡膠來進行密封，由於其耐熱、耐油及電效能都不理想，而被淘汰。使用廣泛、效能最為可靠的氣密密封材料是玻璃─金屬封接、陶瓷─金屬封接和低熔玻璃─陶瓷封接。出於大量生產和降低成本的需求，塑膠模型封裝開始大量湧現，它是以熱固性樹脂透過模具進行加熱、加壓來完成的，其可靠性取決於有機樹脂及添加劑的特性和成型條件，但由於其耐熱性較差，同時具有吸溼性，還不能與其他封接材料效能相當，尚屬於半氣密或非氣密的封接材料。積體電路發展初期，其封裝主要是在半導體電晶體的金屬圓形外殼基礎上，增加外引線數而形成的。但金屬圓形外殼的引線數，受結構的限制，不可能無限增加，且這種封裝引線過多也會不利於積體電路的測試和安裝，從而出現了扁平式封裝。扁平式封裝不易銲接，隨著波銲技術的發展，又出現了雙列式封裝。由於軍事技術的發展和小型化的需求，積體電路的封裝又有了新的變化，相繼產生了片式載體封裝、四方引線扁平封裝、針柵陣列封裝、載帶自動銲接封裝等。同時，為了適應積體電路發展的需求，還出現了功率型封裝、混合積體電路封裝，以及適應某些特定環境和要求的恆溫封裝、抗輻射封裝和光電封裝。且各類封裝逐步形成系統，引線數從幾條直至上千條，已能充分滿足積體電路發展的需求。
3）按使用環境要求，可分為抗輻射封裝、常溫封裝；
4）按照應用和封裝外形，分為功率型封裝、混合積體電路封裝、光電封裝、記憶體封裝、處理器封裝等，比如，TO封裝、模組封裝，DIP、SOP、PLCC、QFP、QFN、BGA、CSP、Flip－Chip，以及COG、COF等不同封裝類型，可以有交叉，也可以只是單一的品種。我們所介紹的封裝主要是功率型封裝，從材料上來說，涵蓋了塑封、陶瓷和多種基板類型；從安裝方法來說，既有直插式，也有表面貼裝式。所謂功率型封裝是指應用於功率場所的封裝，和一般積體電路封裝明顯的差別是：功率元件一般用在大電流、高電壓的應用場景，因此散熱是功率封裝首先需要考慮和解決的問題，其次是材料的選擇和相應的製程路線。功率半導體元件是電力電子應用產品的基礎。近年來，由於元件被應用的需求所激勵，發展很迅速。一代新元件總會帶動新一代裝置登上應用的舞臺，使之體積更小，質量更輕，更加安全可靠，更加節能，並開拓出更新的應用領域。半導體離散元件作為半導體元件基本產品門類之一，是介於電子整機行業和原材料行業之間的中間產品，是電子資訊產業的基礎和核心領域之一。近年來，隨著全球範圍內電子資訊產業的快速發展壯大，半導體離散元件──特別是功率半導體離散元件──市場一直保持較好的發展態勢。這些元件是以功率整合為特點，有單晶片上的功率整合，也有功率元件與控制電路的模組整合，有功率、數位和類比電路構成子系統的多晶片整合，有封裝時將多個功能不同的晶片整合在一個外殼或一個模組裡的整合。
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