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摘要：三极管封装即三极管的外壳，关系到三极管运行的电热性能、结构稳定性和寿命。因此要不断提升技术创新和工艺水平，满足当前电路系统向微型化和小型化发展的方向。本文对三极管封装关键技术进行了探讨，对新材料和新技术的应用进行了展望。
关键词：三极管;封装;引脚;关键技术
三极管外部封装既给内部芯片提供了结构保护，也提升了其使用的方便性，更容易实现安装、焊接等工艺，对于三极管的性能、质量和安全可靠性都有非常大的影响。衡量三极管封装技术的一个关键指标是三极管面积与封装面积之比，比值越接近于1越好。传统三极管的额定功率越大，其体积也就越大。在电路系统小型化的发展趋势下，三极管的封装体积也越来越小，对于其运行、散热和封装技术水平的要求更高。因此文章对于其封装的关键技术进行研究，希望能够改进封装工艺。
1 三极管封装技术的主要工艺环节
1.1 芯片贴装
1.1.1 共晶粘贴法
利用金-硅共晶（Eutectic） 粘结，IC芯片与封装基板之间的粘结在陶瓷封装中有广泛的应用，在塑料封装中因此方法难以消除IC芯片与铜引脚架间的应力，故使用较少。
1.1.2 焊接粘接法
焊接粘结法是另一种利用合金反应进行芯片的粘结方法，其优点是热传导性好。焊接粘结法与前述的共晶粘结法均利用合金反应形成粘结。因粘结的媒介是金属材料，所具有良好热传导性质使其适合高功率元件的封装。焊接粘结法的工艺应在热氮气或能防止氧化的气氛中进行，以防止焊料的氧化及孔洞的形成。
1.1.3 导电胶粘接法
导电胶是大家熟悉的填充银的高分子材料聚合物，是具有良好导热导电性能的环氧树脂。导电胶粘贴法不要求芯片背面和基板具有金属化层，芯片粘贴后，用导电胶固化要求的温度時间进行固化，可在洁净的烘箱中完成固化，操作起来简便易行。因此成为塑料封装常用的芯片粘贴法。
1.2 内部互连
内部互连是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上的金属布线焊区相连接，只有实现芯片与封装结构的电路连接才能发挥已有的功能。三极管的内部互连大多数采用打线键合，主要包括超声波键合、热压键合和热超声波焊接三种类型。
1.2.1 超声波键合
目前，通过Al丝的引线连接，几乎都采用超声波键合法。这种方法可在常温下实现键合，不仅适用于MCM，特别对热敏感的CCD（Charge Coupled Device， 电荷耦合器件）及液晶显示器件等单片LSI的引线连接。Al丝用60KHz。
1.2.2 热压键合
先穿过预热至温度300至400℃的氧化铝（Alumina，Al2O3）或炭化钨（Tungsten Carbide，WC）等高温耐火材料所制成的毛细管状键合工具（Bonding Tool/Capillary，也称为瓷嘴或焊针）的金属线末端，再以电子点火（Electronic Flame-off， EFO）或氢焰（Hydrogen Torch）将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使线之末端灼烧成球（其直径约金属线直径之2至3倍），键合工具再将金属球下压至已预热至约150至250℃的第一金属键合点上进行球形键合（Ball Bond）。
1.2.3 热超声波键合
热超声波键合为热压键合与超音波键合的混合技术。热超声波键合必须先在金属线末端成球，再使用超声波脉冲进行导线材与金属接垫间的接合。在热超声波结合的过程中接合工具不被加热而仅接合的基板维持在100～150℃的温度，此方法除了能抑制键合界面介金属间化合物（Intermetallic Compounds）的成长外，并可降低基板的高分子材料因温度过高而产生劣化变形，因此热超声波接合通常应用于接合难度较高的封装连线。金线为热超声波键合最常被使用的材料。 1.3 成型技术
成型技术有金属封装、陶瓷封装、塑料封装等，但是从成本的角度和其他方面综合考虑，塑料封装是最为常用的封装方式，它占据了90%左右的市场。
1.3.1 塑封成型技术
塑封成型技术一般采用热固性聚合物材料，主要是环氧树脂及各种添加剂等。
1.3.2 金属封装技术
金属封装是传统的气密性封装结构，主要采用储能焊的工艺形成最后的封装结构。
1.3.2 陶瓷金属化封装技术
陶瓷金属化封装技术也是高可靠性气密性封装结构，主要采用平行缝焊的工艺形成最后的封装结构。
2 三极管封装新材料和新技术的创新
2.1 新材料的使用
2.1.1 芯片粘贴材料
为了达到无铅环保标准，越来越多的无铅焊料开始应用，各种金基、铟基和银基焊料均得到了广泛的应用。
金Au基系列焊料在电子封装行业具有很长的使用历史。其抗蚀性强、蒸气压低、流动性及润湿性好等独特优点，常用作军工等高可靠性、气密封装、芯片封装等场景。常用的金基钎料有金锡钎料、金锗钎料和金铜钎料。
银Ag基钎料通常是以银或银基固溶体为主的合金。这类钎料具有优异的工艺性能，熔点不高，润湿性能及填缝性能良好，强度、塑性、导电、耐蚀等性能优异，可用来钎焊除铝、镁及其它低熔点金属外的几乎所有黑色金属和有色金属，因而得到广泛的应用。
银基钎料的种类繁多，但常用的银基钎料几乎都含有铜。为降低熔点和减少银含量，通常加入锌、镍、镉等合金元素，构成三元或多元合金。
铟In熔点较低（为157℃），可与Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔点共晶焊料，能够避免在封装焊接过程中高温因素对产品的影响，铟In基焊料对碱性介质有较高的抗腐蚀性，对金属和非金属都具有良好的的润湿能力，形成的焊点具有电阻低、塑性高等优点，可用于不同热膨胀系数材料的匹配封装。因而铟In基焊料主要应用于电真空器件、玻璃、陶瓷和低温超导器件的封装上。纯铟In和铟In基合金焊料具有优异的热传导性，低熔点，极好的柔软和延展性等特点，常用于如陶瓷元件搭接到PCB的连接材料和热传导材料。 铟In基焊料具有良好的物理性能，其焊点抗疲劳性好，机械强度，拉伸度可靠。对碱性和盐介质有较高的抗腐蚀性，适用于焊接氯碱工业设备。同时它的导电性高，铟In基焊料具有与Sn-Pb合金接近和更高的电导率，可以避免电信号在焊点上的损耗，符合电子连接的要求。它还具有良好的兼容性，使用铟In基焊料过程中，与PCB焊盘的铜，锡，银，金，镍等镀层、元器件引脚镀层有良好的钎合性能。另外，还可以兼容不同类型的助焊剂。铟焊料能防止金脆现象，在焊接镀金產品时，如果使用锡基焊料会把镀金元件的金吸过来，则会形成脆性的金属化合物;在这种情况下，一般建议使用铟In基焊料，能够防止金的流失与渗透，增强焊点的可靠性。由于有着与非金属良好的润湿能力，铟焊料可应用于电子、低温物理和真空系统中的玻璃制品、陶瓷制品、石英制品、陶瓷制品等的焊接。其宽泛的熔点区域能根据不同的配比，可以生产出熔点从几十度到300多度的不
同类型的铟In基合金产品，适应不同领域的需求。
在持续的微型化趋势下，封装体变得越来越复杂、功能越来越丰富，亟需合适的细间距焊锡膏。水溶性无卤素焊锡膏。由于与生俱来的出色流变性，它具有优异的印刷性，可实现卓越的细间距印刷效果。
传统倒装芯片凸点焊接和BGA封装采用助焊剂形成焊点，因此常常出现各种影响良率的缺陷，例如冷焊、焊点不完整、顶部的锡帽蔓延到铜柱上、BGA焊球缺失等。金属含量较低的浸渍或针转移焊膏，专为倒装芯片凸点焊接和BGA封装而开发。
2.1.2 键合丝材料
对更精细的结构和更苛刻的条件的需求推动着键合金丝技术的发展。对于现今的应用领域，有丰富的金键合丝品类以满足不同领域的各种需求。广泛多样化的球形、楔形和螺柱形键合线产品组合，包括4N 99.99 / 3N 99.9 / 2N 99.0键合金丝类型。
小直径楔焊键合铝丝采用优质AlSi1 合金（99 %的铝和1%硅）。其主要应用在汽车、消费电子产品以及计算机。相比用于传送电能的粗铝线，硅铝丝专用于信号传输和处理。通常用于板上芯片（COB）的应用。硅铝丝包括与IC焊盘的铝的兼容性，特别是在细间距应用。它可以轻松在室温环境下键合，节约成本，是高完整性接合的理想方案，同时不损伤敏感设备。硅铝丝的电和热传导性能也十分出色，应用广泛。
键合铜丝相对于昂贵的金丝方案，在许多应用领域不失为一种极佳的解决方案。超细直径（ 0.6密耳或15微米）尺寸，适用于非常小的超微间距结构。通过对裸铜丝添加合金元素或使用CuPd / AFPC芯铜线，键合丝显示出绝佳的可靠性和很好的粘结力。在许多应用中，铜线能够展现出比金线更出色的性能和可靠性。在低含量保护性气体环境中，铜丝非常适合在球焊/楔焊工艺中键合。同时，能在楔型/楔焊工艺中进行处理。
在材料上，仍然需要不断进行创新，比如使用超薄二维材料代替三维硅材料，能够极大程度上降低尺寸，实现纳米工艺，而且速度更快，节能性更好。考虑到金属材料缺乏一定的缺陷，在封装中可以采用热塑性结果符合材料，比如新配方树脂，典型代表如短切碳纤维技术，其强度可以超过高强钢。
2.2 新技术的应用
首先是提高封装的强度，尤其是确保引脚不断裂。比如采用KyronMax注模技术，该技术能够实现复杂成型，避免了传统技术中三极管容易断裂的问题。其次是提高散热性能，为了利于散热，其封装应该尽量薄，在必要条件下加强散热片等装置。比如在绝缘封装体和基座上设置凹槽，在凹槽上放置导热杆，在水平和竖直方向同时提高散热效率。第三是节能器件技术，可以将三极管晶片等部件封装在一个胶体内部，实现集成封装，节约传统器件，缩短接线长度。采用该封装方式，还能够减小外部线路带来的干扰，其性能更强。第四是低能耗技术，通过该技术可以实现节能目的，比如采用倒装方式，降低能耗。最后是便于封装技术，除了贴片技术等之外，还可以采用连接杆和旋转轴等技术，方便其拆卸和封装。
结语
随着三极管封装体积的不断减小，各类新工艺、新材料和新技术不断发展，在关键技术上也要不断突破，提升封装的效率、性能和可靠性。
参考文献
[1]盛况， 董泽政， 吴新科. 碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望[J]. 中国电机工程学报， 2019， 39（19）.
[2]李晓芳. 贴片硅胶封装发光二极管光强可靠性研究及应用[J]. 电子产品世界， 2020（8）：28-30.
[3]曹鹤、柏卉芷、赵洁. 大功率电气元件封装用有机硅灌封胶的研制[J]. 有机硅材料， 2020， v.34;No.202（06）：20-23.
[4]钟永辉， 孙刚， 王宁，等. 氮化铝封装外壳引脚焊接强度研究[J]. 电子元件与材料， 2019， 038（010）：63-67，73.
关键词：三极管;封装;引脚;关键技术
三极管外部封装既给内部芯片提供了结构保护，也提升了其使用的方便性，更容易实现安装、焊接等工艺，对于三极管的性能、质量和安全可靠性都有非常大的影响。衡量三极管封装技术的一个关键指标是三极管面积与封装面积之比，比值越接近于1越好。传统三极管的额定功率越大，其体积也就越大。在电路系统小型化的发展趋势下，三极管的封装体积也越来越小，对于其运行、散热和封装技术水平的要求更高。因此文章对于其封装的关键技术进行研究，希望能够改进封装工艺。
1 三极管封装技术的主要工艺环节
1.1 芯片贴装
1.1.1 共晶粘贴法
利用金-硅共晶（Eutectic） 粘结，IC芯片与封装基板之间的粘结在陶瓷封装中有广泛的应用，在塑料封装中因此方法难以消除IC芯片与铜引脚架间的应力，故使用较少。
1.1.2 焊接粘接法
焊接粘结法是另一种利用合金反应进行芯片的粘结方法，其优点是热传导性好。焊接粘结法与前述的共晶粘结法均利用合金反应形成粘结。因粘结的媒介是金属材料，所具有良好热传导性质使其适合高功率元件的封装。焊接粘结法的工艺应在热氮气或能防止氧化的气氛中进行，以防止焊料的氧化及孔洞的形成。
1.1.3 导电胶粘接法
导电胶是大家熟悉的填充银的高分子材料聚合物，是具有良好导热导电性能的环氧树脂。导电胶粘贴法不要求芯片背面和基板具有金属化层，芯片粘贴后，用导电胶固化要求的温度時间进行固化，可在洁净的烘箱中完成固化，操作起来简便易行。因此成为塑料封装常用的芯片粘贴法。
1.2 内部互连
内部互连是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上的金属布线焊区相连接，只有实现芯片与封装结构的电路连接才能发挥已有的功能。三极管的内部互连大多数采用打线键合，主要包括超声波键合、热压键合和热超声波焊接三种类型。
1.2.1 超声波键合
目前，通过Al丝的引线连接，几乎都采用超声波键合法。这种方法可在常温下实现键合，不仅适用于MCM，特别对热敏感的CCD（Charge Coupled Device， 电荷耦合器件）及液晶显示器件等单片LSI的引线连接。Al丝用60KHz。
1.2.2 热压键合
先穿过预热至温度300至400℃的氧化铝（Alumina，Al2O3）或炭化钨（Tungsten Carbide，WC）等高温耐火材料所制成的毛细管状键合工具（Bonding Tool/Capillary，也称为瓷嘴或焊针）的金属线末端，再以电子点火（Electronic Flame-off， EFO）或氢焰（Hydrogen Torch）将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使线之末端灼烧成球（其直径约金属线直径之2至3倍），键合工具再将金属球下压至已预热至约150至250℃的第一金属键合点上进行球形键合（Ball Bond）。
1.2.3 热超声波键合
热超声波键合为热压键合与超音波键合的混合技术。热超声波键合必须先在金属线末端成球，再使用超声波脉冲进行导线材与金属接垫间的接合。在热超声波结合的过程中接合工具不被加热而仅接合的基板维持在100～150℃的温度，此方法除了能抑制键合界面介金属间化合物（Intermetallic Compounds）的成长外，并可降低基板的高分子材料因温度过高而产生劣化变形，因此热超声波接合通常应用于接合难度较高的封装连线。金线为热超声波键合最常被使用的材料。 1.3 成型技术
成型技术有金属封装、陶瓷封装、塑料封装等，但是从成本的角度和其他方面综合考虑，塑料封装是最为常用的封装方式，它占据了90%左右的市场。
1.3.1 塑封成型技术
塑封成型技术一般采用热固性聚合物材料，主要是环氧树脂及各种添加剂等。
1.3.2 金属封装技术
金属封装是传统的气密性封装结构，主要采用储能焊的工艺形成最后的封装结构。
1.3.2 陶瓷金属化封装技术
陶瓷金属化封装技术也是高可靠性气密性封装结构，主要采用平行缝焊的工艺形成最后的封装结构。
2 三极管封装新材料和新技术的创新
2.1 新材料的使用
2.1.1 芯片粘贴材料
为了达到无铅环保标准，越来越多的无铅焊料开始应用，各种金基、铟基和银基焊料均得到了广泛的应用。
金Au基系列焊料在电子封装行业具有很长的使用历史。其抗蚀性强、蒸气压低、流动性及润湿性好等独特优点，常用作军工等高可靠性、气密封装、芯片封装等场景。常用的金基钎料有金锡钎料、金锗钎料和金铜钎料。
银Ag基钎料通常是以银或银基固溶体为主的合金。这类钎料具有优异的工艺性能，熔点不高，润湿性能及填缝性能良好，强度、塑性、导电、耐蚀等性能优异，可用来钎焊除铝、镁及其它低熔点金属外的几乎所有黑色金属和有色金属，因而得到广泛的应用。
银基钎料的种类繁多，但常用的银基钎料几乎都含有铜。为降低熔点和减少银含量，通常加入锌、镍、镉等合金元素，构成三元或多元合金。
铟In熔点较低（为157℃），可与Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔点共晶焊料，能够避免在封装焊接过程中高温因素对产品的影响，铟In基焊料对碱性介质有较高的抗腐蚀性，对金属和非金属都具有良好的的润湿能力，形成的焊点具有电阻低、塑性高等优点，可用于不同热膨胀系数材料的匹配封装。因而铟In基焊料主要应用于电真空器件、玻璃、陶瓷和低温超导器件的封装上。纯铟In和铟In基合金焊料具有优异的热传导性，低熔点，极好的柔软和延展性等特点，常用于如陶瓷元件搭接到PCB的连接材料和热传导材料。 铟In基焊料具有良好的物理性能，其焊点抗疲劳性好，机械强度，拉伸度可靠。对碱性和盐介质有较高的抗腐蚀性，适用于焊接氯碱工业设备。同时它的导电性高，铟In基焊料具有与Sn-Pb合金接近和更高的电导率，可以避免电信号在焊点上的损耗，符合电子连接的要求。它还具有良好的兼容性，使用铟In基焊料过程中，与PCB焊盘的铜，锡，银，金，镍等镀层、元器件引脚镀层有良好的钎合性能。另外，还可以兼容不同类型的助焊剂。铟焊料能防止金脆现象，在焊接镀金產品时，如果使用锡基焊料会把镀金元件的金吸过来，则会形成脆性的金属化合物;在这种情况下，一般建议使用铟In基焊料，能够防止金的流失与渗透，增强焊点的可靠性。由于有着与非金属良好的润湿能力，铟焊料可应用于电子、低温物理和真空系统中的玻璃制品、陶瓷制品、石英制品、陶瓷制品等的焊接。其宽泛的熔点区域能根据不同的配比，可以生产出熔点从几十度到300多度的不
同类型的铟In基合金产品，适应不同领域的需求。
在持续的微型化趋势下，封装体变得越来越复杂、功能越来越丰富，亟需合适的细间距焊锡膏。水溶性无卤素焊锡膏。由于与生俱来的出色流变性，它具有优异的印刷性，可实现卓越的细间距印刷效果。
传统倒装芯片凸点焊接和BGA封装采用助焊剂形成焊点，因此常常出现各种影响良率的缺陷，例如冷焊、焊点不完整、顶部的锡帽蔓延到铜柱上、BGA焊球缺失等。金属含量较低的浸渍或针转移焊膏，专为倒装芯片凸点焊接和BGA封装而开发。
2.1.2 键合丝材料
对更精细的结构和更苛刻的条件的需求推动着键合金丝技术的发展。对于现今的应用领域，有丰富的金键合丝品类以满足不同领域的各种需求。广泛多样化的球形、楔形和螺柱形键合线产品组合，包括4N 99.99 / 3N 99.9 / 2N 99.0键合金丝类型。
小直径楔焊键合铝丝采用优质AlSi1 合金（99 %的铝和1%硅）。其主要应用在汽车、消费电子产品以及计算机。相比用于传送电能的粗铝线，硅铝丝专用于信号传输和处理。通常用于板上芯片（COB）的应用。硅铝丝包括与IC焊盘的铝的兼容性，特别是在细间距应用。它可以轻松在室温环境下键合，节约成本，是高完整性接合的理想方案，同时不损伤敏感设备。硅铝丝的电和热传导性能也十分出色，应用广泛。
键合铜丝相对于昂贵的金丝方案，在许多应用领域不失为一种极佳的解决方案。超细直径（ 0.6密耳或15微米）尺寸，适用于非常小的超微间距结构。通过对裸铜丝添加合金元素或使用CuPd / AFPC芯铜线，键合丝显示出绝佳的可靠性和很好的粘结力。在许多应用中，铜线能够展现出比金线更出色的性能和可靠性。在低含量保护性气体环境中，铜丝非常适合在球焊/楔焊工艺中键合。同时，能在楔型/楔焊工艺中进行处理。
在材料上，仍然需要不断进行创新，比如使用超薄二维材料代替三维硅材料，能够极大程度上降低尺寸，实现纳米工艺，而且速度更快，节能性更好。考虑到金属材料缺乏一定的缺陷，在封装中可以采用热塑性结果符合材料，比如新配方树脂，典型代表如短切碳纤维技术，其强度可以超过高强钢。
2.2 新技术的应用
首先是提高封装的强度，尤其是确保引脚不断裂。比如采用KyronMax注模技术，该技术能够实现复杂成型，避免了传统技术中三极管容易断裂的问题。其次是提高散热性能，为了利于散热，其封装应该尽量薄，在必要条件下加强散热片等装置。比如在绝缘封装体和基座上设置凹槽，在凹槽上放置导热杆，在水平和竖直方向同时提高散热效率。第三是节能器件技术，可以将三极管晶片等部件封装在一个胶体内部，实现集成封装，节约传统器件，缩短接线长度。采用该封装方式，还能够减小外部线路带来的干扰，其性能更强。第四是低能耗技术，通过该技术可以实现节能目的，比如采用倒装方式，降低能耗。最后是便于封装技术，除了贴片技术等之外，还可以采用连接杆和旋转轴等技术，方便其拆卸和封装。
结语
随着三极管封装体积的不断减小，各类新工艺、新材料和新技术不断发展，在关键技术上也要不断突破，提升封装的效率、性能和可靠性。
参考文献
[1]盛况， 董泽政， 吴新科. 碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望[J]. 中国电机工程学报， 2019， 39（19）.
[2]李晓芳. 贴片硅胶封装发光二极管光强可靠性研究及应用[J]. 电子产品世界， 2020（8）：28-30.
[3]曹鹤、柏卉芷、赵洁. 大功率电气元件封装用有机硅灌封胶的研制[J]. 有机硅材料， 2020， v.34;No.202（06）：20-23.
[4]钟永辉， 孙刚， 王宁，等. 氮化铝封装外壳引脚焊接强度研究[J]. 电子元件与材料， 2019， 038（010）：63-67，73.