专题报道

第三代半导体功率电子封装技术


2025年 第25卷 第3期


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“第三代半导体功率电子封装技术”专题前言 田艳红 摘要 （179）      PDF （382KB）（124）    可视化    相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030100

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功率器件封装用纳米铜焊膏及其烧结技术研究进展* 王秀琦,李一凡,罗子康,陆大世,计红军 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0046 摘要 （156）      PDF （3705KB）（167）    可视化    以第三代半导体为核心的功率电子器件向高功率密度、高结温方向的发展对封装互连材料、工艺及服役条件下的可靠性都提出了严苛的挑战。纳米铜(Cu)焊膏具有低成本、抗电迁移、优异的导电导热性能和“低温烧结、高温服役”特性，是1种极具工业化潜力的功率器件封装候选材料，受到广大研究者的密切关注。然而，相比于纳米银(Ag)焊膏，纳米铜焊膏的稳定性(易氧化)和低温烧结性能仍有较大的差距。根据试验结果，从烧结机理、烧结工艺、性能表现以及纳米铜烧结接头的服役可靠性等方面，系统阐述了纳米铜焊膏烧结技术的最新进展。此外，针对目前纳米铜烧结技术的不足，对后续的发展方向和研究前景进行了展望。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030101

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乙基纤维素影响下的微米银焊膏和纳米银焊膏烧结对比研究* 喻龙波,夏志东,邓文皓,林文良,周炜,郭福 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0037 摘要 （45）      PDF （2386KB）（44）    可视化    微米银（Ag MPs）焊膏和纳米银（Ag NPs）焊膏因其低温烧结、高温服役的特点而成为最有可能用于高温封装的连接材料。研究了乙基纤维素对Ag MPs和Ag NPs焊膏烧结结果的影响，分析了相同条件下2组焊膏烧结结果存在差异的原因。结果表明，在无压、250 ℃、空气条件下，添加质量分数为5%的乙基纤维素，2组焊膏的烧结性能较好，Ag MPs焊膏烧结所得接头强度和薄膜电阻率为8.57 MPa和4.25 μΩ·cm，Ag NPs焊膏烧结所得接头强度和薄膜电阻率为32.89 MPa和7.71 μΩ·cm。接头界面和薄膜微观形貌表明，烧结后颗粒间形成的烧结颈和烧结组织均匀性是影响连接强度的关键因素，而烧结组织致密度则是影响导电性的主要因素。研究结果为进一步提高银焊膏烧结接头强度和烧结薄膜导电性提供了参考。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030102

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烧结银阵列互连双面散热SiC半桥模块的散热和应力仿真* 逄卓,赵海强,徐涛涛,张浩波,王美玉 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0042 摘要 （70）      PDF （2513KB）（118）    可视化    基于烧结银作为芯片互连层的双面散热SiC半桥模块，改变芯片顶面与基板的烧结银连接层形状为片状、圆柱阵列和长方体阵列，进行了散热和热应力仿真。仿真结果表明，得益于烧结银较高的热导率，改变烧结银层的形状对散热性能影响很小。相比于片状烧结银互连模块，采用圆柱阵列和长方体阵列烧结银互连的模块，其结温最大仅升高0.2 ℃和0.14 ℃。由于阵列模型中的烧结银互连层通过多个微小连接点有效分散和缓解了热应力，圆柱阵列和长方体阵列的烧结残余热应力和工作热应力都显著降低，圆柱阵列模型的烧结残余热应力和工作热应力降低了8.57%和3.16%，长方体阵列模型的烧结残余热应力和工作热应力降低了8.57%和37.71%，并且可通过缩小烧结银面积来降低成本，具有较高的科研和应用价值。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030103

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第三代半导体封装结构设计及可靠性评估技术研究进展* 郑佳宝, 李照天, 张晨如, 刘俐 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0053 摘要 （141）      PDF （4250KB）（142）    可视化    第三代半导体材料，如SiC和GaN，因其卓越的性能在电力电子领域展现出巨大潜力。为了充分发挥材料的优势，需要通过先进的封装技术来解决电气互连、机械支撑和散热等问题。围绕第三代半导体封装结构的研究进展，从降低寄生电参数、降低热阻、提高集成度3个发展方向分类总结近年来新型封装结构特点及优化效果。基于新型封装结构，总结了其面临的可靠性问题以及现行的可靠性测试标准和方法，探讨了存在的问题和不足，对第三代半导体封装技术的未来发展进行了展望。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030104

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功率模块封装用环氧树脂改性技术应用进展* 曹凤雷,贾强,王乙舒,刘若晨,郭褔 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0056 摘要 （110）      PDF （3898KB）（204）    可视化    环氧树脂因其优异的电气绝缘性、机械强度和耐高温性能，是功率模块封装材料的首选。然而，功率模块的集成度提升和服役环境的严苛化对环氧树脂的性能要求不断提高。对环氧树脂的分类、改性及其在功率模块封装中的应用进行总结，并指出了环氧树脂面临的挑战和未来发展方向。改性后的环氧树脂可以提升功率模块封装的热管理能力、绝缘性能、耐腐蚀性和抗翘曲能力等。未来的研究方向包括耐高温封装材料的开发、环保和多功能环氧树脂的探索，以及新材料和新工艺的结合。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030105

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功率器件封装纳米浆料材料与低温烧结工艺及机理研究进展* 王一平,于铭涵,王润泽,佟子睿,冯佳运,田艳红 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0058 摘要 （152）      PDF （4537KB）（175）    可视化    随着电力电子器件材料的发展，第三代宽禁带半导体（如SiC和GaN）因其优越的性能而成为功率器件的理想材料。然而，面对大功率和高温应用的挑战，传统的锡基封装材料已经难以满足需求，为此，研究者们开始关注可以低温烧结、高温服役的纳米烧结浆料。这些微米、纳米级的铜、银等浆料可以在远低于金属熔点的温度下烧结成具备高熔点、高导热、高性能的焊点结构。从烧结材料、烧结工艺、烧结机理3个方面讨论了近年来用于功率器件封装的烧结浆料的研究进展，具体包括纳米银、纳米铜、铜银复合和其他纳米级烧结材料，以及它们适配的热压烧结、无压烧结、薄膜烧结等工艺，为烧结浆料的进一步发展提供参考。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030106

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基于低温铜烧结技术的大功率碳化硅模块电热性能表征* 闫海东,蒙业惠,刘昀粲,刘朝辉 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0063 摘要 （68）      PDF （1748KB）（68）    可视化    SiC器件的比导通电阻仅有Si基器件的1/5，在高频、高温、高功率密度的车规级封装领域展现出更大优势，但SiC器件的高通流密度对其散热设计提出了更高要求。虽然高导热率、低工艺温度、高服役温度的银烧结有助于优化功率模块的热管理，但存在烧结银成本过高与电迁移问题。针对上述问题提出了一种针对SiC器件的全铜烧结互连方法，高质量铜互连层的剪切强度超过130 MPa。与传统功率模块相比，全铜烧结功率模块的结-壳热阻降低了6.12 K/kW（12.47%），动、静态测试结果表明，模块具有良好的电学性能。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030107

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高功率电子封装中大面积烧结技术研究进展* 边乐陶,刘文婷,刘盼 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0082 摘要 （106）      PDF （2408KB）（89）    可视化    在第三代半导体材料（如碳化硅和氮化镓）的推动下，大面积烧结技术因其在高功率电子封装中的独特优势，展现出广阔的应用前景。综述了银和铜作为大面积烧结材料在功率模块封装中的研究进展，系统分析了大面积烧结的定义标准、材料特性、工艺控制方法及其对接头性能的影响。探讨了大面积烧结过程中温度、压力、表面处理工艺等的优化策略，以提升接头的致密性、热导率及机械性能。此外，针对当前大面积烧结技术所面临的挑战提出了未来的优化方向。通过总结国内外相关研究成果，为大面积烧结技术在高功率电子封装领域的进一步发展提供了理论支持与实践参考。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030108

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表面贴装大功率器件热匹配问题可靠性仿真* 胡运涛,苏昱太,刘灿宇,刘长清 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0083 摘要 （116）      PDF （1167KB）（86）    可视化    针对表面贴装大功率器件中不同材料间热膨胀系数差异所引起的热力学不匹配问题，在不同升温速率下对关键互连结构的寿命与可靠性进行分析。探讨了材料热膨胀不匹配对器件性能和长期可靠性所带来的潜在影响。利用Anand本构模型详细描述了SAC305焊料的力学特性，重点分析了其应力应变与温度特性。基于Coffin-Manson模型进行了寿命评估，系统分析了焊料的疲劳失效与塑性应变的关系。仿真结果表明，温度变化速率越大，热力不匹配越明显，导致元器件内部产生较大的热应力和热疲劳效应，使得元器件寿命及可靠性降低。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030109

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纳米铜粉的制备方法及其在电子封装行业的应用 王一帆,汪根深,孙德旺,陆冰沪,章玮,李明钢 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0047 摘要 （51）      PDF （1797KB）（40）    可视化    纳米铜粉在电子封装领域可作为浆料的填充材料实现低温烧结，替代价格较高的银，具有广阔的应用前景。纳米铜粉的尺寸、形貌、纯度等与制备方法密切相关，有必要深入了解不同制备方法，实现粒径精准控制。综述了3种主流的纳米铜粉制备方法，重点对成本较低的液相还原法进行了介绍。介绍了纳米铜粉在低温烧结铜浆中的应用，分析了浆料成分、烧结参数等因素对铜浆烧结性能的影响，指明了纳米铜粉的技术瓶颈及发展趋势，纳米铜粉的粒径、形貌可控及抗氧化措施将成为未来研究热点。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030110

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大功率器件基板散热技术研究进展* 兰梦伟,姬峰,王成伟,孙浩洋,杜建宇,徐晋宏,王晶,张鹏哲,王明伟 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0091 摘要 （105）      PDF （4984KB）（121）    可视化    电子器件正朝着高性能和小型化方向发展，频率、功率和集成度不断提高，其内部大功率芯片产生的热量急剧增加，不仅影响器件工作效率和稳定性，还直接关系到整个系统的安全性和可靠性。大功率器件产生的热量主要依靠封装基板提供通道耗散，因此研究基板散热技术尤为重要。详细介绍了金属基板、陶瓷基板、复合材料基板等常规基板散热技术和微流道散热技术、相变散热技术、热电散热技术等新型基板散热技术的研究现状。其中，歧管微流道金刚石基板以及多种散热方式协同应用基板具备优异的冷却性能，有望大幅提高电子器件的功率和寿命。通过分析各种基板散热技术，期望为相关领域的研究和应用提供有价值的参考。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030111

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GaN芯片封装技术研究进展与趋势* 宋海涛,王霄,龚平,朱霞,李杨,刘璋成,闫大为,陈治伟,尤杰,敖金平 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2025.0104 摘要 （72）      PDF （2760KB）（133）    可视化    作为第三代半导体材料，GaN因其高电子迁移率、高击穿场强等优异特性，正被广泛应用于高频、高功率电子器件。然而，其封装技术面临诸如热管理、电气性能优化以及封装可靠性等挑战，同时还需要满足更紧凑、更集成的需求。重点讨论了目前GaN芯片封装的多种解决方案，包括晶体管外形（TO）封装、四边扁平无引线（QFN）封装等分立器件封装结构，晶圆级封装（WLP）、多芯片模块（MCM）合封器件封装结构以及诸多先进封装技术。分析了封装技术的发展趋势，如集成化、模块化封装，以及面向高频、高功率应用的优化方法。随着技术的不断突破，GaN封装有望在更高效、更可靠的方向上取得进一步进展，以满足不断增长的市场需求。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2025年第25卷第3期 pp. 030112




田艳红，哈尔滨工业大学长聘二级教授。2003年哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士毕业，先后赴加拿大滑铁卢大学、美国马里兰大学从事博士后和访问学者研究工作，2013年入选教育部新世纪人才，2016年获国家自然科学基金委优秀青年基金，2021年获评国家级高层次人才。

主要从事集成电路芯片封装技术与可靠性、第三代半导体功率芯片封装、柔性电子可穿戴传感器件方面的研究。负责国家自然科学基金委、科技部和工信部等国家部委重点项目、专项课题以及多项行业合作项目，研究成果应用到宇航电子、功率电子、柔性电子领域的关键器件封装中，在电子封装技术可靠性及寿命评估方面的研究成果已应用于嫦娥、天问、天舟等多个型号卫星平台电子装备中，保障了国产核心电子器件在复杂服役环境下的可靠运行。

担任国际焊接学会（IIW）微纳连接分委会新兴微纳工艺分会主席、电子封装技术国际会议（IEEE-ICEPT）技术委员会共同主席、中国机械工程学会焊接分会常务委员、中国电子学会半导体集成分会委员、中国电子学会可靠性分会委员；担任Electron、China Welding、《焊接学报》、《电子与封装》等多个学术期刊的编委。在Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Matter、Cell子刊、ACS Nano、Adv. Opt. Mater.、JMST等国内外知名学术期刊及国际顶级学术会议发表论文300余篇，授权专利40余项，主编及参编著作6部，获得省部级科技奖励4项。