電力半導(dǎo)體新器件及其封裝技術(shù)探究

崔嚴(yán)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(dǎo)體在結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電路我司進(jìn)行了深入分析研究，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝以獨(dú)特技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Mini PD系列產(chǎn)品開發(fā)，有不同PD芯片選型（光敏面φ60μm～φ300μm）、有不同光學(xué)應(yīng)用（平行光、發(fā)散光應(yīng)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(chǔ)上，開發(fā)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(chǎn)品的市場競爭力。

Mini 光電器件由于結(jié)構(gòu)微小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理緊湊，并重點(diǎn)解決好貼片、鍵合、封焊關(guān)鍵工藝難題，確保產(chǎn)品的性能指標(biāo)及可靠性，特別是封焊工藝難題的解決，否則無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模制造。

1 電力半導(dǎo)體的主要內(nèi)涵及特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

設(shè)計(jì)生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品主要有橫向設(shè)計(jì)、縱向設(shè)計(jì)、全系列設(shè)計(jì)三種形式。首先，橫向設(shè)計(jì)指的是下機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)已經(jīng)確定基礎(chǔ)上，在不同模塊中相互轉(zhuǎn)化，最終得到完整產(chǎn)品。其次，縱向設(shè)計(jì)指的是能夠明確機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)，將需要進(jìn)行此項(xiàng)工藝的半成品在機(jī)械設(shè)備中加工生產(chǎn)，進(jìn)而得到完整商品。最后，全系列設(shè)計(jì)則包含上述兩種形式[1]。

1.2 設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

1.2.1 便于維修養(yǎng)護(hù)

設(shè)計(jì)在機(jī)械生產(chǎn)中具有獨(dú)立性和整體性。獨(dú)立性指的是模塊在設(shè)備整體中是獨(dú)立存在的，即便是某一個模塊使用過程中出現(xiàn)問題，也可短時間內(nèi)判斷問題所在，更換問題模塊的同時設(shè)備也就能順利投入工作。這種檢修維護(hù)形式對于機(jī)械設(shè)備作業(yè)具有十分重要的作用，能夠最大限度降低設(shè)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?qū)⒈姸鄠€體集中成為一個整體，完善每一個模塊自身性能，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備整體使用效果的優(yōu)化提升。

1.2.2 包裝便捷

傳統(tǒng)意義上進(jìn)行商品包裝設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素較少，只要結(jié)合商品自身性能，向消費(fèi)者展示產(chǎn)品優(yōu)勢即可。這種設(shè)計(jì)形式指導(dǎo)下產(chǎn)生的設(shè)計(jì)產(chǎn)品基本上都是相同款式的，對于其他類別的產(chǎn)品則適應(yīng)性較差，難以滿足多樣化的市場需求。采用設(shè)計(jì)電力半導(dǎo)體，能夠在一中商品設(shè)計(jì)中提出多種設(shè)計(jì)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(diǎn)，并且可根據(jù)客戶需求調(diào)整、優(yōu)化。在傳統(tǒng)包裝設(shè)計(jì)中工作人員需要將眾多零件逐一檢查，避免零部件出現(xiàn)問題導(dǎo)致的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)失衡現(xiàn)象。這種檢驗(yàn)檢修形式會造成大量人力資源、資金資源浪費(fèi)現(xiàn)象，延長設(shè)備生產(chǎn)時間、縮短設(shè)備生產(chǎn)周期，不利于當(dāng)下機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)加工行業(yè)發(fā)展。而使用電力半導(dǎo)體則可以在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個或者多個生產(chǎn)流程，數(shù)據(jù)設(shè)定之后便能夠隨時開啟生產(chǎn)，大大降低了工作人員壓力，縮短工作時間[2]。

2 電力半導(dǎo)體新器件的發(fā)展趨勢

電力半導(dǎo)體新器件目前正處于飛速發(fā)展的狀態(tài)，其不僅促使電力技術(shù)的應(yīng)用范圍得以拓展，也促使電力工業(yè)的發(fā)展水平進(jìn)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益。如今，我國的電氣鐵路也正處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，高速電機(jī)車對電力半導(dǎo)體新器件也具備一定的應(yīng)用意向，事實(shí)上，不管是先進(jìn)的電力機(jī)車還是直流輸電，其都無法離開半導(dǎo)體器件?？梢?，半導(dǎo)體器件具備更好的發(fā)展前景，其正向著智能化、大容量、高效率的方向發(fā)展。

諸如IPM和PIC都屬于電力半導(dǎo)體的新器件，其在生產(chǎn)工藝和密封技術(shù)方面都已經(jīng)具備較高的工藝水平，而作為智能化的電力半導(dǎo)體器件，其能夠?qū)Ⅱ?qū)動電路、箱位電路等都讓那到同一個模塊當(dāng)中并且依據(jù)逆變器的性能進(jìn)行裝置電路設(shè)計(jì)，促使功率模塊主編成為智能化新型電力半導(dǎo)體器件。IP，器件相比于傳統(tǒng)的器件具備自我保護(hù)功能，其將CIC元件裝置到半導(dǎo)體裝置當(dāng)中，因此在IPM被運(yùn)用到小功率的設(shè)備當(dāng)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(dǎo)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(yùn)用到機(jī)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(wěn)步提升。而利用該種器件還有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，該種器件的成本比較低，能夠變相減少設(shè)備的裝置成本[3]。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及封裝關(guān)鍵工藝的解決方案

小型化產(chǎn)品貼片設(shè)計(jì)：通過對管座、管帽及產(chǎn)品應(yīng)用光學(xué)要求進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合光學(xué)模擬仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出芯片貼片的高度及精度要求重點(diǎn)控制參數(shù)；同時根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)開發(fā)自動貼片工裝，確保了高精度芯片貼片控制要求，實(shí)現(xiàn)自動貼片規(guī)模制造工藝水平。

自動鍵合工藝技術(shù)：電力半導(dǎo)體受到空間限制對設(shè)計(jì)金絲鍵合增加難度，我們結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，通過對鍵合點(diǎn)及金絲形態(tài)（長度和弧度）設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)找出較理想的鍵合方案，解決了緊湊結(jié)構(gòu)的鍵合難題；我司還通過自行開發(fā)自動鍵合工裝治具，實(shí)現(xiàn)了小型化光電器件自動鍵合批量生產(chǎn)，提升產(chǎn)品的一致性。

光電器件的設(shè)備管理中是通過兩個方面的管理實(shí)現(xiàn)的，其一是根據(jù)企業(yè)中既定的紙質(zhì)化管理文件進(jìn)行管理，其二是根據(jù)光電器件技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，能夠有效提升企業(yè)管理的水平和質(zhì)量。在這種管理機(jī)制中將部分紙質(zhì)文件轉(zhuǎn)化成為電子文件，能夠有效保證文件的實(shí)用性，做到企業(yè)內(nèi)部的信息共享，這是光電器件管理體現(xiàn)在企業(yè)中的重要表現(xiàn)形式。與傳統(tǒng)管理形式中不同的是，光電器件的管理流程更能夠?qū)⑵髽I(yè)中復(fù)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(yè)眾多的部門中，對每一個部門進(jìn)行有效的單獨(dú)管理，而后將每一個單獨(dú)的部門集合成為一個整體，光電器件管理也能夠?qū)⒈姸鄠€體集中成為一個整體，完善每一個模塊自身性能，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備整體使用效果的優(yōu)化提升。保證企業(yè)運(yùn)行中的完整性。設(shè)備管理光電器件指的是使用具有極強(qiáng)光電器件的設(shè)備，并且使用先進(jìn)的光電器件技術(shù)對企業(yè)的信息進(jìn)行詳細(xì)的分析，對于企業(yè)使用的設(shè)備進(jìn)行合理的優(yōu)化配置，保障資源能夠得到充分有效的利用。

電力半導(dǎo)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(shù)情況下，需要選取不同的材料來提升器件的導(dǎo)熱性能，避免器件產(chǎn)生熱阻問題。例如，對于一些功率比較大的器件進(jìn)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?yàn)椴糠趾辖鹪谏a(chǎn)的時候成本比較高，并不利于運(yùn)用到對電力半導(dǎo)體器件的封裝當(dāng)中。因此，通?？梢赃x擇具備較好導(dǎo)熱性能的銅板或者是鋁板來作為基礎(chǔ)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(chǎn)的實(shí)際情況，要控制好粘貼的厚度，避免對器件的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響。因此，對于器件進(jìn)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(dǎo)性，能夠保證粘貼的強(qiáng)度且提亮器件的亮度，當(dāng)然，該種粘貼材料在生產(chǎn)成本上呈現(xiàn)出性價(jià)比較好的優(yōu)勢。除上述封裝材料以外，對于部分電力半導(dǎo)體器件也可以利用環(huán)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(jié)束語

通過技術(shù)創(chuàng)新，我司生產(chǎn)的電力半導(dǎo)體，性能達(dá)到了國際同類產(chǎn)品水平，在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的同時，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，可替代出口。該產(chǎn)品已通過了國內(nèi)多家知名企業(yè)的可靠性認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)批量供貨，產(chǎn)品已被華為公司使用。目前電力半導(dǎo)體的市場份額較小，主要應(yīng)用于DWDM 通道監(jiān)控、儀器儀表、EDFA光信道監(jiān)控、光保護(hù)模塊等市場，不過隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及光器件小型化趨勢的發(fā)展，電力半導(dǎo)體將會有更加廣闊的市場前景。