電力半導體新器件及其封裝技術探究

崔嚴勻，袁敏杰，張德偉，張弘毅

（無錫華潤上華科技有限公司，江蘇 無錫 214061）

由于對電力半導體在結構、光學、電路我司進行了深入分析研究，在設計和生產工藝以獨特技術，實現了Mini PD系列產品開發，有不同PD芯片選型（光敏面φ60μm～φ300μm）、有不同光學應用（平行光、發散光應用）、有不同管腳類型（平行腳類型、垂直腳類型）、不同速率（500M～ 3G）等。同時又在TO單管的基礎上，開發出Mini Tap 及尾纖型Mini P等組件，以滿足市場不同客戶的不同要求，大大增加了公司產品的市場競爭力。

Mini 光電器件由于結構微小，結構設計要合理緊湊，并重點解決好貼片、鍵合、封焊關鍵工藝難題，確保產品的性能指標及可靠性，特別是封焊工藝難題的解決，否則無法實現規模制造。

1 電力半導體的主要內涵及特點

1.1 設計的內涵

設計生產的機械產品主要有橫向設計、縱向設計、全系列設計三種形式。首先，橫向設計指的是下機械產品參數已經確定基礎上，在不同模塊中相互轉化，最終得到完整產品。其次，縱向設計指的是能夠明確機械產品參數，將需要進行此項工藝的半成品在機械設備中加工生產，進而得到完整商品。最后，全系列設計則包含上述兩種形式[1]。

1.2 設計的主要特點

1.2.1 便于維修養護

設計在機械生產中具有獨立性和整體性。獨立性指的是模塊在設備整體中是獨立存在的，即便是某一個模塊使用過程中出現問題，也可短時間內判斷問題所在，更換問題模塊的同時設備也就能順利投入工作。這種檢修維護形式對于機械設備作業具有十分重要的作用，能夠最大限度降低設備故障頻率，以及故障之后的整體影響。整體性指的是管理能夠將眾多個體集中成為一個整體，完善每一個模塊自身性能，進而能夠實現設備整體使用效果的優化提升。

1.2.2 包裝便捷

傳統意義上進行商品包裝設計關鍵因素較少，只要結合商品自身性能，向消費者展示產品優勢即可。這種設計形式指導下產生的設計產品基本上都是相同款式的，對于其他類別的產品則適應性較差，難以滿足多樣化的市場需求。采用設計電力半導體，能夠在一中商品設計中提出多種設計選擇，并且這怒地每一個不同系列都能兼顧整體效果與自身特點，并且可根據客戶需求調整、優化。在傳統包裝設計中工作人員需要將眾多零件逐一檢查，避免零部件出現問題導致的設備運轉失衡現象。這種檢驗檢修形式會造成大量人力資源、資金資源浪費現象，延長設備生產時間、縮短設備生產周期，不利于當下機械設備生產加工行業發展。而使用電力半導體則可以在系統中設計一個或者多個生產流程，數據設定之后便能夠隨時開啟生產，大大降低了工作人員壓力，縮短工作時間[2]。

2 電力半導體新器件的發展趨勢

電力半導體新器件目前正處于飛速發展的狀態，其不僅促使電力技術的應用范圍得以拓展，也促使電力工業的發展水平進入到另外一個階段，在新器件的作用下，電力工程中對電力資源的損耗直線降低，其具備較高的經濟效益和社會效益。如今，我國的電氣鐵路也正處于發展狀態，高速電機車對電力半導體新器件也具備一定的應用意向，事實上，不管是先進的電力機車還是直流輸電，其都無法離開半導體器件。可見，半導體器件具備更好的發展前景，其正向著智能化、大容量、高效率的方向發展。

諸如IPM和PIC都屬于電力半導體的新器件，其在生產工藝和密封技術方面都已經具備較高的工藝水平，而作為智能化的電力半導體器件，其能夠將驅動電路、箱位電路等都讓那到同一個模塊當中并且依據逆變器的性能進行裝置電路設計，促使功率模塊主編成為智能化新型電力半導體器件。IP，器件相比于傳統的器件具備自我保護功能，其將CIC元件裝置到半導體裝置當中，因此在IPM被運用到小功率的設備當中時，其可以用于替代其他封裝形式的功能模塊，該種模塊相比于其他類型的電力半導體器件在成本上更低廉，且封裝效果也更好。

PIC屬于智能形式的集成電路，其包含了SPIC和HVIC兩個部分，將該種器件運用到機電的接口位置，其能夠有效縮小電源體積并且減輕電源重量，促使電源的可靠性穩步提升。而利用該種器件還有一項優點，該種器件的成本比較低，能夠變相減少設備的裝置成本[3]。

3 產品設計及封裝關鍵工藝的解決方案

小型化產品貼片設計：通過對管座、管帽及產品應用光學要求進行內部結構設計，結合光學模擬仿真驗證，設計出芯片貼片的高度及精度要求重點控制參數；同時根據產品設計參數開發自動貼片工裝，確保了高精度芯片貼片控制要求，實現自動貼片規模制造工藝水平。

自動鍵合工藝技術：電力半導體受到空間限制對設計金絲鍵合增加難度，我們結合結構分析，通過對鍵合點及金絲形態（長度和弧度）設計，經過反復實驗找出較理想的鍵合方案，解決了緊湊結構的鍵合難題；我司還通過自行開發自動鍵合工裝治具，實現了小型化光電器件自動鍵合批量生產，提升產品的一致性。

光電器件的設備管理中是通過兩個方面的管理實現的，其一是根據企業中既定的紙質化管理文件進行管理，其二是根據光電器件技術進行網絡管理，能夠有效提升企業管理的水平和質量。在這種管理機制中將部分紙質文件轉化成為電子文件，能夠有效保證文件的實用性，做到企業內部的信息共享，這是光電器件管理體現在企業中的重要表現形式。與傳統管理形式中不同的是，光電器件的管理流程更能夠將企業中復雜的文件簡化，方便了員工的工作，減輕了員工工作中的壓力，提升員工的工作效率和工作積極性。在企業眾多的部門中，對每一個部門進行有效的單獨管理，而后將每一個單獨的部門集合成為一個整體，光電器件管理也能夠將眾多個體集中成為一個整體，完善每一個模塊自身性能，進而能夠實現設備整體使用效果的優化提升。保證企業運行中的完整性。設備管理光電器件指的是使用具有極強光電器件的設備，并且使用先進的光電器件技術對企業的信息進行詳細的分析，對于企業使用的設備進行合理的優化配置，保障資源能夠得到充分有效的利用。

電力半導體器件的封裝工藝中最為重要的是做好封裝材料的選取，在確定具體的封裝技術情況下，需要選取不同的材料來提升器件的導熱性能，避免器件產生熱阻問題。例如，對于一些功率比較大的器件進行包裝，可以考慮到散熱材料的選擇，原本期間封裝可以選用合金材料，但因為部分合金在生產的時候成本比較高，并不利于運用到對電力半導體器件的封裝當中。因此，通常可以選擇具備較好導熱性能的銅板或者是鋁板來作為基礎的封裝材料。而在粘貼材料選擇上，也需要考慮到器件批量生產的實際情況，要控制好粘貼的厚度，避免對器件的導熱性能產生影響。因此，對于器件進行封裝是可以考慮到錫漿這樣的材料，其不僅粘貼厚度小，且具備較好的熱導性，能夠保證粘貼的強度且提亮器件的亮度，當然，該種粘貼材料在生產成本上呈現出性價比較好的優勢。除上述封裝材料以外，對于部分電力半導體器件也可以利用環氧樹脂作為主要材料，該種材料具備一定的絕緣作用，通過該種材料完成封裝能夠保證器件具備較好的密封性，其介電性能也因此提升[4]。

4 結束語

通過技術創新，我司生產的電力半導體，性能達到了國際同類產品水平，在實現國產化的同時，填補了國內空白，可替代出口。該產品已通過了國內多家知名企業的可靠性認證，實現批量供貨，產品已被華為公司使用。目前電力半導體的市場份額較小，主要應用于DWDM 通道監控、儀器儀表、EDFA光信道監控、光保護模塊等市場，不過隨著光纖通信網絡的發展及光器件小型化趨勢的發展，電力半導體將會有更加廣闊的市場前景。