現在，電力器件正經歷著在各種領域的應用需求的增加。 包括能源發電和基礎設施、電動和混合動力汽車(EV和HEV)、電動汽車充電、數據中心、工業自動化、智能城市和建築、家用電器和交通等應用都是驅動電力器件的需求增加的領域。
電力封裝包括晶體管輪廓(TO，transistor outline)、小輪廓(SO，small outline)、四方平無引線(Q FN，quad flat noleads)和智能功率模塊(IPM，intelligent power module)形式因子中的基於引線框架的封裝。 熱增強SO形因子自20世紀90年代以來一直被用於電力應用中，並且獲得超過八個引線到40個引線的封裝。 在電力應用中，採用了Cu夾而不是線鍵合導致QFN的形式因素增加了。 嵌入式電源模塊通常基於用於低功率到中等功率應用的印刷電路板(PCB)技術，以及用於大功率應用的直接鍵合銅(DBC，direct bonded copper)或絕緣金屬基板(IMS)。 大功率芯片焊接到DBC基板上通常使用重線鍵進行頂部互連。
電力器件的應用
開關電源轉換器有一個大的應用領域，包括移動電話(高達10W)，汽車(幾k W)，以及大型太陽能和風能操作(M W)。 單片機封裝用於金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，絕緣柵雙極晶體管(I GBTs)和二極管，這是一個低功耗的應用。 功率模塊用於中、高功率應用，包括半橋（bridge）中的IGBT和二極管。 高功率應用通常需要電氣隔離到背面。
通用轉換器用於建築室內空調、電梯和自動扶梯、製造設備和機床中。 輸入電壓為交流電(AC)600V或更低，75KW或更低的交流驅動電機。 300千瓦的電源轉換器也被列入“一般用途”類別。 電壓為4kW或以下的小容量逆變器佔市場份額的80%，但對於新的應用，更高功能和性能的市場正在擴大。
電力半導體和封裝被標記為促進電動汽車(E V)增長的關鍵，再加上高電池密度、更快的充電時間、更低的成本和方便的充電基礎設施。 在電動汽車動力系統中，有大功率半導體模塊將直流（DC）轉換為交流（AC）、逆變器和轉換器。 在牽引系統和其他系統（如車載系統）的電力輸送中，有許多的微控制器（mircrocontrolletrs，MCUs)來管理 板載充電。 平均而言，估計電動汽車(E V)的半導體的平均價值是內部動力系統的6至10倍。 關鍵 電動汽車中的組件包括電池管理系統、 配電模塊、轉換器/逆變器、電子驅動模塊、機車控制模塊和充電相關模塊等。 動力傳動系統的先進封裝是擴大電動汽車性能和市場所需的一項核心技術。
向寬禁帶材料轉移
雖然許多公司繼續擴大硅基功率器件的生產，但也有需求基於新的寬帶隙(WBG，wide band gap)材料，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。 由於需要提高功率密度和系統效率，這些WBG材料正在許多應用中被採用，當然應用這些材料可能需要新的封裝、材料和裝配方法。
硅作為半導體材料，其電子遷移率相對較低，導致開關響應緩慢和損耗高。 硅對高結溫度的抵抗力也很差，這增加了冷卻要求。 與傳統硅材料相比，WBG材料，如SiC和GaN，由於它們的帶隙相對較大(以eV測量)，具有固有的優越性能，允許它們在較高的電壓、較高頻率和溫度下使用（見表1）。 基於這些WBG的器件材料的使用是因為它們可以允許設計更小、更有效的功率模塊。有許多公司還在研究新的技術和材料，如垂直GaN器件和氧化鎵襯底材料。
表1：Si和WBG材料的電性能對比
在各種應用中，SiC器件已經實現規模生產，包括汽車、火車、電梯以及工業加熱和冷卻系統。 在生產汽車中已經可以找到SiC動力裝置。 例如，本田於2016年3月在動力系統中引入了其清晰燃料電池汽車。 特斯拉在其電動汽車中使用23個SiC逆變器。 在汽車應用中，功率器件的較低損耗轉化為更高的效率和更高的功率輸出，以及設計更小和更輕的重量系統的能力。 提高功率逆變器的效率會對ICE的性能產生積極的影響。
雖然SiC器件主要用於高功率應用，但GaN通常適用於需要快速開關切換的高頻應用，如車載充電(OBC)和電動充電站。 GaN電源器件的其它應用包括：AC-DC，DC-DC轉換器、不斷電電源（unint-erruptable power supplies (UPS)）、直流電機、光伏逆變器。 GaN功率器件正在生產各種應用，包括無線充電、機器人和電動滑板車等。
高功率芯片通常用重線鍵合焊接到DBC基板上，用於頂部互連。 對於快速開關的SiC和GaN，連線的等效電感太高，此外，器件的生命週期是由鍵合線的可靠性限定的。 不同電壓等級的功率封裝的例子如表2所示。
表2：功率封裝的例子
銅夾封裝越來越多地用於功率器件中（圖1）。 銅夾封裝的熱效率使其成為工業、電信、計算和汽車應用中功率器件的良好選擇。 這種封裝形式也越來越多地用於電信和計算機應用。有些銅夾封裝是單die的，但是有許多是多die封裝的，而且多采用並行排列的配置或堆疊 (3D)配置的形式。
圖1：堆疊的Cu夾QFN封裝模塊
雖然銅夾封裝的應用在增加，但是鍵合線形式目前仍然是電力器件的主流封裝形式。 嵌入式die封裝是另外一種選擇。 這是一種在包括DC/DC轉換器的功率器件中引入了幾種嵌入式元件的解決方案。 嵌入式組件技術也被引入到用於汽車和航空電子應用和GaN功率器件以及SiC功率模塊中。
新材料
今天大多數器件都在採用無鉛焊接來進行die接觸，公司通常都承受這樣 風險和認證成本以轉換為無鉛解決方案。 一些公司開始採用無鉛焊料，但面臨的挑戰是滿足所有應用的電力器件的可靠性要求。 隨著市場對硅基半導體器件的功率和性能的要求在增加，這些器件的工作結溫開始超過150°C，即達到了傳統的高Pb焊料、無鉛焊料和電傳導的極限溫度。 採用由WBG材料製成的高溫器件，如SiC和GaN，正在將操作結溫度推到175°C及以上。 這種趨勢正在推動市場對更高性能的附模材料的需求，許多公司正在探索納米燒結材料在die接觸和Cu夾接觸的應用中。
總結
電力設備封裝是一個令人興奮的增長領域，從傳統的TO封裝到新的嵌入式die選擇。 與此同時電動汽車的需求和提高的能源效率的要求，業界對新器件和封裝的需求還沒有放緩的跡象！
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