揭秘 IGBT 模塊封裝與流程

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(jìn)行新一輪的改革升級，通過(guò)新技術(shù)的發(fā)展，現在的IGBT模塊已經(jīng)成為集通態(tài)壓降低、開(kāi)關(guān)速度快、高電壓低損耗、大電流熱穩定性好等等眾多特點(diǎn)于一身，而這些技術(shù)特點(diǎn)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(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)了功率模塊封裝技術(shù)的更新迭代。目前電動(dòng)汽車(chē)主逆變器功率半導體技術(shù)，代表著(zhù)中等功率模塊技術(shù)的先進(jìn)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(mǎn)足的要求。

功率器件模塊封裝結構演進(jìn)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(gè)裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術(shù)，該技術(shù)不但提高了封裝密度，同時(shí)也縮短了芯片之間導線(xiàn)的互連長(cháng)度，從而提高了器件的運行速率。傳統Si基功率模塊封裝存在寄生參數過(guò)高，散熱效率差的問(wèn)題，這主要是由于傳統封裝采用了引線(xiàn)鍵合和單邊散熱技術(shù)，針對這兩大問(wèn)題，SiC功率模塊封裝在結構上采用了無(wú)引線(xiàn)互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術(shù)，同時(shí)選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動(dòng)電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術(shù)。

直接導線(xiàn)鍵合結構（DLB）

直接導線(xiàn)鍵合結構最大的特點(diǎn)就是利用焊料，將銅導線(xiàn)與芯片表面直接連接在一起，相對引線(xiàn)鍵合技術(shù)，該技術(shù)使用的銅導線(xiàn)可有效降低寄生電感，同時(shí)由于銅導線(xiàn)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(kāi)發(fā)的IGBT模塊，相比引線(xiàn)鍵合模塊內部電感降低至57%，內部引線(xiàn)電阻減小一半。

DLB結構

SKiN結構

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

SKiN結構

2.5D和3D模塊封裝結構

為進(jìn)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(kāi)發(fā)出來(lái)用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動(dòng)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(guò)增加的一層轉接板中的金屬連線(xiàn)實(shí)現，轉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動(dòng)電路通過(guò)金屬通孔或凸塊實(shí)現垂直互連，下圖是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實(shí)現的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(xiàn)鍵合或者焊接方式實(shí)現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(gè)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(guò)低溫共燒陶瓷工藝，實(shí)現了功率芯片和驅動(dòng)電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動(dòng)元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。

IGBT模塊封裝流程簡(jiǎn)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(dòng)貼片做好前期準備 印刷效果；

2、自動(dòng)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，進(jìn)行回流焊接；

4、超聲波清洗：通過(guò)清洗劑對焊接完成后的DBC半成品進(jìn)行清洗，以保證IGBT芯片表面潔凈度滿(mǎn)足鍵合打線(xiàn)要求；

5、X-RAY缺陷檢測：通過(guò)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(dòng)鍵合：通過(guò)鍵合打線(xiàn)，將各個(gè)IGBT芯片或DBC間連結起來(lái)，形成完整的電路結構；

7、激光打標：對模塊殼體表面進(jìn)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(jìn)行點(diǎn)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：對殼體內部進(jìn)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(jìn)行加裝頂蓋并對端子進(jìn)行折彎成形；

12、功能測試：對成形后產(chǎn)品進(jìn)行高低溫沖擊檢驗、老化檢驗后，測試IGBT靜態(tài)參數、動(dòng)態(tài)參數以符合出廠(chǎng)標準 IGBT 模塊成品。

功率半導體模塊封裝是其加工過(guò)程中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節，它關(guān)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(shù)特點(diǎn)為：設計緊湊可靠、輸出功率大。其中的關(guān)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(xiàn)端子之間的接觸阻抗最低。

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