功率器件模塊封裝結(jié)構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)

IGBT模塊是新一代的功率半導(dǎo)體電子元件模塊，誕生于20世紀(jì)80年代，并在90年代進(jìn)行新一輪的改革升級(jí)，通過(guò)新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)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(wěn)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)汽車主逆變器功率半導(dǎo)體技術(shù)，代表著中等功率模塊技術(shù)的先進(jìn)水平，高可靠性、高功率密度并且要求成本競(jìng)爭(zhēng)力是其首先需要滿足的要求。

01 功率器件模塊封裝結(jié)構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)

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(yùn)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(dǎo)線的互連長(zhǎng)度，從而提高了器件的運(yùn)行速率。傳統(tǒng)Si基功率模塊封裝存在寄生參數(shù)過(guò)高，散熱效率差的問(wèn)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(shù)，針對(duì)這兩大問(wèn)題，SiC功率模塊封裝在結(jié)構(gòu)上采用了無(wú)引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術(shù)，同時(shí)選用了導(dǎo)熱系數(shù)更好的襯底材料，并嘗試在模塊結(jié)構(gòu)中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅(qū)動(dòng)電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術(shù)。

01 直接導(dǎo)線鍵合結(jié)構(gòu)（DLB）

直接導(dǎo)線鍵合結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是利用焊料，將銅導(dǎo)線與芯片表面直接連接在一起，相對(duì)引線鍵合技術(shù)，該技術(shù)使用的銅導(dǎo)線可有效降低寄生電感，同時(shí)由于銅導(dǎo)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(jié)構(gòu)開(kāi)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(jié)構(gòu)

02 SKiN結(jié)構(gòu)

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

SKiN結(jié)構(gòu)

03 2.5D和3D模塊封裝結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步降低寄生效應(yīng)，使用多層襯底的2.5D和3D模塊封裝結(jié)構(gòu)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于功率芯片之間或者功率芯片與驅(qū)動(dòng)電路之間的互連。在2.5D結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)接板中的金屬連線實(shí)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(jié)構(gòu)，下圖為一種2.5D模塊封裝結(jié)構(gòu)。

2.5D模塊封裝結(jié)構(gòu)

而在3D模塊封裝結(jié)構(gòu)中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)金屬通孔或凸塊實(shí)現(xiàn)垂直互連，下圖是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實(shí)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(shí)現(xiàn)金屬和芯片間的互連，該結(jié)構(gòu)包含3層導(dǎo)電導(dǎo)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(jié)構(gòu)確定，整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度一般小于5mm。

采用緊壓工藝的3D模塊封裝結(jié)構(gòu)

下圖是另一種3D模塊封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)低溫共燒陶瓷工藝，實(shí)現(xiàn)了功率芯片和驅(qū)動(dòng)電路的垂直互連，該結(jié)構(gòu)還可以方便地將被動(dòng)元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。

3D模塊封裝結(jié)構(gòu)

02 IGBT模塊封裝流程簡(jiǎn)介

1、絲網(wǎng)印刷：將錫膏按設(shè)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(zhǔn)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(nèi)，進(jìn)行回流焊接；

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

5、X-RAY缺陷檢測(cè)：通過(guò)X光檢測(cè)篩選出空洞大小符合標(biāo)準(zhǔn)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，將各個(gè)IGBT芯片或DBC間連結(jié)起來(lái)，形成完整的電路結(jié)構(gòu)；

7、激光打標(biāo)：對(duì)模塊殼體表面進(jìn)行激光打標(biāo)，標(biāo)明產(chǎn)品型號(hào)、日期等信息；

8、殼體塑封：對(duì)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(duì)殼體內(nèi)部進(jìn)行加注A、B膠并抽真空，高溫固化 ，達(dá)到絕緣保護(hù)作用；

11、封裝、端子成形：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加裝頂蓋并對(duì)端子進(jìn)行折彎成形；

12、功能測(cè)試：對(duì)成形后產(chǎn)品進(jìn)行高低溫沖擊檢驗(yàn)、老化檢驗(yàn)后，測(cè)試IGBT靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)以符合出廠標(biāo)準(zhǔn) IGBT 模塊成品。

功率半導(dǎo)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(jié)，它關(guān)系到功率半導(dǎo)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(yīng)惡劣環(huán)境。功率半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)特點(diǎn)為：設(shè)計(jì)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(dá)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