电力半导体新器件及其封装技术探究

崔严匀，袁敏杰，张德伟，张弘毅

（无锡华润上华科技有限公司，江苏 无锡 214061）

由于对电力半导体在结构、光学、电路我司进行了深入分析研究，在设计和生产工艺以独特技术，实现了Mini PD系列产品开发，有不同PD芯片选型（光敏面φ60μm～φ300μm）、有不同光学应用（平行光、发散光应用）、有不同管脚类型（平行脚类型、垂直脚类型）、不同速率（500M～ 3G）等。同时又在TO单管的基础上，开发出Mini Tap 及尾纤型Mini P等组件，以满足市场不同客户的不同要求，大大增加了公司产品的市场竞争力。

Mini 光电器件由于结构微小，结构设计要合理紧凑，并重点解决好贴片、键合、封焊关键工艺难题，确保产品的性能指标及可靠性，特别是封焊工艺难题的解决，否则无法实现规模制造。

1 电力半导体的主要内涵及特点

1.1 设计的内涵

设计生产的机械产品主要有横向设计、纵向设计、全系列设计三种形式。首先，横向设计指的是下机械产品参数已经确定基础上，在不同模块中相互转化，最终得到完整产品。其次，纵向设计指的是能够明确机械产品参数，将需要进行此项工艺的半成品在机械设备中加工生产，进而得到完整商品。最后，全系列设计则包含上述两种形式[1]。

1.2 设计的主要特点

1.2.1 便于维修养护

设计在机械生产中具有独立性和整体性。独立性指的是模块在设备整体中是独立存在的，即便是某一个模块使用过程中出现问题，也可短时间内判断问题所在，更换问题模块的同时设备也就能顺利投入工作。这种检修维护形式对于机械设备作业具有十分重要的作用，能够最大限度降低设备故障频率，以及故障之后的整体影响。整体性指的是管理能够将众多个体集中成为一个整体，完善每一个模块自身性能，进而能够实现设备整体使用效果的优化提升。

1.2.2 包装便捷

传统意义上进行商品包装设计关键因素较少，只要结合商品自身性能，向消费者展示产品优势即可。这种设计形式指导下产生的设计产品基本上都是相同款式的，对于其他类别的产品则适应性较差，难以满足多样化的市场需求。采用设计电力半导体，能够在一中商品设计中提出多种设计选择，并且这怒地每一个不同系列都能兼顾整体效果与自身特点，并且可根据客户需求调整、优化。在传统包装设计中工作人员需要将众多零件逐一检查，避免零部件出现问题导致的设备运转失衡现象。这种检验检修形式会造成大量人力资源、资金资源浪费现象，延长设备生产时间、缩短设备生产周期，不利于当下机械设备生产加工行业发展。而使用电力半导体则可以在系统中设计一个或者多个生产流程，数据设定之后便能够随时开启生产，大大降低了工作人员压力，缩短工作时间[2]。

2 电力半导体新器件的发展趋势

电力半导体新器件目前正处于飞速发展的状态，其不仅促使电力技术的应用范围得以拓展，也促使电力工业的发展水平进入到另外一个阶段，在新器件的作用下，电力工程中对电力资源的损耗直线降低，其具备较高的经济效益和社会效益。如今，我国的电气铁路也正处于发展状态，高速电机车对电力半导体新器件也具备一定的应用意向，事实上，不管是先进的电力机车还是直流输电，其都无法离开半导体器件。可见，半导体器件具备更好的发展前景，其正向着智能化、大容量、高效率的方向发展。

诸如IPM和PIC都属于电力半导体的新器件，其在生产工艺和密封技术方面都已经具备较高的工艺水平，而作为智能化的电力半导体器件，其能够将驱动电路、箱位电路等都让那到同一个模块当中并且依据逆变器的性能进行装置电路设计，促使功率模块主编成为智能化新型电力半导体器件。IP，器件相比于传统的器件具备自我保护功能，其将CIC元件装置到半导体装置当中，因此在IPM被运用到小功率的设备当中时，其可以用于替代其他封装形式的功能模块，该种模块相比于其他类型的电力半导体器件在成本上更低廉，且封装效果也更好。

PIC属于智能形式的集成电路，其包含了SPIC和HVIC两个部分，将该种器件运用到机电的接口位置，其能够有效缩小电源体积并且减轻电源重量，促使电源的可靠性稳步提升。而利用该种器件还有一项优点，该种器件的成本比较低，能够变相减少设备的装置成本[3]。

3 产品设计及封装关键工艺的解决方案

小型化产品贴片设计：通过对管座、管帽及产品应用光学要求进行内部结构设计，结合光学模拟仿真验证，设计出芯片贴片的高度及精度要求重点控制参数；同时根据产品设计参数开发自动贴片工装，确保了高精度芯片贴片控制要求，实现自动贴片规模制造工艺水平。

自动键合工艺技术：电力半导体受到空间限制对设计金丝键合增加难度，我们结合结构分析，通过对键合点及金丝形态（长度和弧度）设计，经过反复实验找出较理想的键合方案，解决了紧凑结构的键合难题；我司还通过自行开发自动键合工装治具，实现了小型化光电器件自动键合批量生产，提升产品的一致性。

光电器件的设备管理中是通过两个方面的管理实现的，其一是根据企业中既定的纸质化管理文件进行管理，其二是根据光电器件技术进行网络管理，能够有效提升企业管理的水平和质量。在这种管理机制中将部分纸质文件转化成为电子文件，能够有效保证文件的实用性，做到企业内部的信息共享，这是光电器件管理体现在企业中的重要表现形式。与传统管理形式中不同的是，光电器件的管理流程更能够将企业中复杂的文件简化，方便了员工的工作，减轻了员工工作中的压力，提升员工的工作效率和工作积极性。在企业众多的部门中，对每一个部门进行有效的单独管理，而后将每一个单独的部门集合成为一个整体，光电器件管理也能够将众多个体集中成为一个整体，完善每一个模块自身性能，进而能够实现设备整体使用效果的优化提升。保证企业运行中的完整性。设备管理光电器件指的是使用具有极强光电器件的设备，并且使用先进的光电器件技术对企业的信息进行详细的分析，对于企业使用的设备进行合理的优化配置，保障资源能够得到充分有效的利用。

电力半导体器件的封装工艺中最为重要的是做好封装材料的选取，在确定具体的封装技术情况下，需要选取不同的材料来提升器件的导热性能，避免器件产生热阻问题。例如，对于一些功率比较大的器件进行包装，可以考虑到散热材料的选择，原本期间封装可以选用合金材料，但因为部分合金在生产的时候成本比较高，并不利于运用到对电力半导体器件的封装当中。因此，通常可以选择具备较好导热性能的铜板或者是铝板来作为基础的封装材料。而在粘贴材料选择上，也需要考虑到器件批量生产的实际情况，要控制好粘贴的厚度，避免对器件的导热性能产生影响。因此，对于器件进行封装是可以考虑到锡浆这样的材料，其不仅粘贴厚度小，且具备较好的热导性，能够保证粘贴的强度且提亮器件的亮度，当然，该种粘贴材料在生产成本上呈现出性价比较好的优势。除上述封装材料以外，对于部分电力半导体器件也可以利用环氧树脂作为主要材料，该种材料具备一定的绝缘作用，通过该种材料完成封装能够保证器件具备较好的密封性，其介电性能也因此提升[4]。

4 结束语

通过技术创新，我司生产的电力半导体，性能达到了国际同类产品水平，在实现国产化的同时，填补了国内空白，可替代出口。该产品已通过了国内多家知名企业的可靠性认证，实现批量供货，产品已被华为公司使用。目前电力半导体的市场份额较小，主要应用于DWDM 通道监控、仪器仪表、EDFA光信道监控、光保护模块等市场，不过随着光纤通信网络的发展及光器件小型化趋势的发展，电力半导体将会有更加广阔的市场前景。