電力封裝包括晶體管輪廓(TO，transistoroutline)、小輪廓(SO，smalloutline)、四方平無(wú)引線(QFN，quadflatnoleads)和智能功率模塊(IPM，intelligentpowermodule)形式因子中的基于引線框架的封裝。熱增強(qiáng)SO形因子自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直被用于電力應(yīng)用中，并且獲得超過(guò)八個(gè)引線到40個(gè)引線的封裝。在電力應(yīng)用中，采用了Cu夾而不是線鍵合導(dǎo)致QFN的形式因素增加了。嵌入式電源模塊通常基于用于低功率到中等功率應(yīng)用的印刷電路板(PCB)技術(shù)，以及用于大功率應(yīng)用的直接鍵合銅(DBC，directbondedcopper)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(jìn)行頂部互連。
開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器有一個(gè)大的應(yīng)用領(lǐng)域，包括移動(dòng)電話(高達(dá)10W)，汽車(幾kW)，以及大型太陽(yáng)能和風(fēng)能操作(MW)。單片機(jī)封裝用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)和二極管，這是一個(gè)低功耗的應(yīng)用。功率模塊用于中、高功率應(yīng)用，包括半橋（bridge）中的IGBT和二極管。高功率應(yīng)用通常需要電氣隔離到背面。
通用轉(zhuǎn)換器用于建筑室內(nèi)空調(diào)、電梯和自動(dòng)扶梯、制造設(shè)備和機(jī)床中。輸入電壓為交流電(AC)600V或更低，75KW或更低的交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。300千瓦的電源轉(zhuǎn)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占市場(chǎng)份額的80%，但對(duì)于新的應(yīng)用，更高功能和性能的市場(chǎng)正在擴(kuò)大。
電力半導(dǎo)體和封裝被標(biāo)記為促進(jìn)電動(dòng)汽車(EV)增長(zhǎng)的關(guān)鍵，再加上高電池密度、更快的充電時(shí)間、更低的成本和方便的充電基礎(chǔ)設(shè)施。在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，有大功率半導(dǎo)體模塊將直流（DC）轉(zhuǎn)換為交流（AC）、逆變器和轉(zhuǎn)換器。在牽引系統(tǒng)和其他系統(tǒng)（如車載系統(tǒng)）的電力輸送中，有許多的微控制器（mircrocontrolletrs，MCUs)來(lái)管理板載充電。平均而言，估計(jì)電動(dòng)汽車(EV)的半導(dǎo)體的平均價(jià)值是內(nèi)部動(dòng)力系統(tǒng)的6至10倍。關(guān)鍵電動(dòng)汽車中的組件包括電池管理系統(tǒng)、配電模塊、轉(zhuǎn)換器/逆變器、電子驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)車控制模塊和充電相關(guān)模塊等。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)封裝是擴(kuò)大電動(dòng)汽車性能和市場(chǎng)所需的一項(xiàng)核心技術(shù)。
雖然許多公司繼續(xù)擴(kuò)大硅基功率器件的生產(chǎn)，但也有需求基于新的寬帶隙(WBG，widebandgap)材料，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。由于需要提高功率密度和系統(tǒng)效率，這些WBG材料正在許多應(yīng)用中被采用，當(dāng)然應(yīng)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(dǎo)體材料，其電子遷移率相對(duì)較低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)響應(yīng)緩慢和損耗高。硅對(duì)高結(jié)溫度的抵抗力也很差，這增加了冷卻要求。與傳統(tǒng)硅材料相比，WBG材料，如SiC和GaN，由于它們的帶隙相對(duì)較大(以eV測(cè)量)，具有固有的優(yōu)越性能，允許它們?cè)谳^高的電壓、較高頻率和溫度下使用（見(jiàn)表1）。基于這些WBG的器件材料的使用是因?yàn)樗鼈兛梢栽试S設(shè)計(jì)更小、更有效的功率模塊。有許多公司還在研究新的技術(shù)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(duì)比
在各種應(yīng)用中，SiC器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，包括汽車、火車、電梯以及工業(yè)加熱和冷卻系統(tǒng)。在生產(chǎn)汽車中已經(jīng)可以找到SiC動(dòng)力裝置。例如，本田于2016年3月在動(dòng)力系統(tǒng)中引入了其清晰燃料電池汽車。特斯拉在其電動(dòng)汽車中使用23個(gè)SiC逆變器。在汽車應(yīng)用中，功率器件的較低損耗轉(zhuǎn)化為更高的效率和更高的功率輸出，以及設(shè)計(jì)更小和更輕的重量系統(tǒng)的能力。提高功率逆變器的效率會(huì)對(duì)ICE的性能產(chǎn)生積極的影響。
雖然SiC器件主要用于高功率應(yīng)用，但GaN通常適用于需要快速開(kāi)關(guān)切換的高頻應(yīng)用，如車載充電(OBC)和電動(dòng)充電站。GaN電源器件的其它應(yīng)用包括：AC-DC，DC-DC轉(zhuǎn)換器、不斷電電源（unint-erruptablepowersupplies(UPS)）、直流電機(jī)、光伏逆變器。GaN功率器件正在生產(chǎn)各種應(yīng)用，包括無(wú)線充電、機(jī)器人和電動(dòng)滑板車等。
高功率芯片通常用重線鍵合焊接到DBC基板上，用于頂部互連。對(duì)于快速開(kāi)關(guān)的SiC和GaN，連線的等效電感太高，此外，器件的生命周期是由鍵合線的可靠性限定的。不同電壓等級(jí)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(lái)越多地用于功率器件中。銅夾封裝的熱效率使其成為工業(yè)、電信、計(jì)算和汽車應(yīng)用中功率器件的良好選擇。這種封裝形式也越來(lái)越多地用于電信和計(jì)算機(jī)應(yīng)用。有些銅夾封裝是單die的，但是有許多是多die封裝的，而且多采用并行排列的配置或堆疊(3D)配置的形式。
雖然銅夾封裝的應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)也被引入到用于汽車和航空電子應(yīng)用和GaN功率器件以及SiC功率模塊中。
今天大多數(shù)器件都在采用無(wú)鉛焊接來(lái)進(jìn)行die接觸，公司通常都承受這樣風(fēng)險(xiǎn)和認(rèn)證成本以轉(zhuǎn)換為無(wú)鉛解決方案。一些公司開(kāi)始采用無(wú)鉛焊料，但面臨的挑戰(zhàn)是滿足所有應(yīng)用的電力器件的可靠性要求。隨著市場(chǎng)對(duì)硅基半導(dǎo)體器件的功率和性能的要求在增加，這些器件的工作結(jié)溫開(kāi)始超過(guò)150°C，即達(dá)到了傳統(tǒng)的高Pb焊料、無(wú)鉛焊料和電傳導(dǎo)的極限溫度。采用由WBG材料制成的高溫器件，如SiC和GaN，正在將操作結(jié)溫度推到175°C及以上。這種趨勢(shì)正在推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)更高性能的附模材料的需求，許多公司正在探索納米燒結(jié)材料在die接觸和Cu夾接觸的應(yīng)用中。
電力設(shè)備封裝是一個(gè)令人興奮的增長(zhǎng)領(lǐng)域，從傳統(tǒng)的TO封裝到新的嵌入式die選擇。與此同時(shí)電動(dòng)汽車的需求和提高的能源效率的要求，業(yè)界對(duì)新器件和封裝的需求還沒(méi)有放緩的跡象！
