功率器件模塊封裝結構演進趨勢

IGBT模塊是新一代的功率半導體電子元件模塊，誕生于20世紀80年代，并在90年代進行新一輪的改革升級，通過新技術的發(fā)展，現(xiàn)在的IGBT模塊已經(jīng)成為集通態(tài)壓降低、開關速度快、高電壓低損耗、大電流熱穩(wěn)定性好等等眾多特點于一身，而這些技術特點正式IGBT模塊取代舊式雙極管成為電路制造中的重要電子器件的主要原因。

近些年，電動汽車的蓬勃發(fā)展帶動了功率模塊封裝技術的更新迭代。目前電動汽車主逆變器功率半導體技術，代表著中等功率模塊技術的先進水平，高可靠性、高功率密度并且要求成本競爭力是其首先需要滿足的要求。

01 功率器件模塊封裝結構演進趨勢

IGBT作為重要的電力電子的核心器件，其可靠性是決定整個裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術，該技術不但提高了封裝密度，同時也縮短了芯片之間導線的互連長度，從而提高了器件的運行速率。傳統(tǒng)Si基功率模塊封裝存在寄生參數(shù)過高，散熱效率差的問題，這主要是由于傳統(tǒng)封裝采用了引線鍵合和單邊散熱技術，針對這兩大問題，SiC功率模塊封裝在結構上采用了無引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術，同時選用了導熱系數(shù)更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅(qū)動電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術。

01 直接導線鍵合結構（DLB）

直接導線鍵合結構最大的特點就是利用焊料，將銅導線與芯片表面直接連接在一起，相對引線鍵合技術，該技術使用的銅導線可有效降低寄生電感，同時由于銅導線與芯片表面互連面積大，還可以提高互連可靠性。三菱公司利用該結構開發(fā)的IGBT模塊，相比引線鍵合模塊內(nèi)部電感降低至57%，內(nèi)部引線電阻減小一半。

DLB結構

02 SKiN結構

SKiN模塊結構也是一種無引線鍵合的結構，它采用了雙層柔軟的印刷線路板同時用于連接MOSFET和用作電流通路。

SKiN結構

03 2.5D和3D模塊封裝結構

為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的2.5D和3D模塊封裝結構被開發(fā)出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅(qū)動電路之間的互連。在2.5D結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉(zhuǎn)接板中的金屬連線實現(xiàn)，轉(zhuǎn)接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉(zhuǎn)接板常被用于該結構，下圖為一種2.5D模塊封裝結構。

2.5D模塊封裝結構

而在3D模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅(qū)動電路通過金屬通孔或凸塊實現(xiàn)垂直互連，下圖是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現(xiàn)的3D模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現(xiàn)金屬和芯片間的互連，該結構包含3層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于5mm。

采用緊壓工藝的3D模塊封裝結構

下圖是另一種3D模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現(xiàn)了功率芯片和驅(qū)動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。

3D模塊封裝結構

02 IGBT模塊封裝流程簡介

1、絲網(wǎng)印刷：將錫膏按設定圖形印刷于散熱底板和DBC銅板表面，為自動貼片做好前期準備 印刷效果；

2、自動貼片：將IGBT芯片與FRED芯片貼裝于DBC印刷錫膏表面；

3、真空回流焊接：將完成貼片的DBC半成品置于真空爐內(nèi)，進行回流焊接；

4、超聲波清洗：通過清洗劑對焊接完成后的DBC半成品進行清洗，以保證IGBT芯片表面潔凈度滿足鍵合打線要求；

5、X-RAY缺陷檢測：通過X光檢測篩選出空洞大小符合標準的半成品，防止不良品流入下一道工序；

6、自動鍵合：通過鍵合打線，將各個IGBT芯片或DBC間連結起來，形成完整的電路結構；

7、激光打標：對模塊殼體表面進行激光打標，標明產(chǎn)品型號、日期等信息；

8、殼體塑封：對殼體進行點膠并加裝底板，起到粘合底板的作用；

9、功率端子鍵合

10、殼體灌膠與固化：對殼體內(nèi)部進行加注A、B膠并抽真空，高溫固化 ，達到絕緣保護作用；

11、封裝、端子成形：對產(chǎn)品進行加裝頂蓋并對端子進行折彎成形；

12、功能測試：對成形后產(chǎn)品進行高低溫沖擊檢驗、老化檢驗后，測試IGBT靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)以符合出廠標準 IGBT 模塊成品。

功率半導體模塊封裝是其加工過程中一個非常關鍵的環(huán)節(jié)，它關系到功率半導體器件是否能形成更高的功率密度，能否適用于更高的溫度、擁有更高的可用性、可靠性，更好地適應惡劣環(huán)境。功率半導體器件的封裝技術特點為：設計緊湊可靠、輸出功率大。其中的關鍵是使硅片與散熱器之間的熱阻達到最小，同樣使模塊輸人輸出接線端子之間的接觸阻抗最低。

審核編輯 ：李倩