梳理一下車規(guī)級(jí)IGBT模塊封裝趨勢

電動(dòng)汽車近幾年的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)了功率模塊封裝技術(shù)的更新迭代。各種各樣的封裝技術(shù)追求的目標(biāo)是更高的功率密度，更高的散熱效率，更高的可靠性及其更低的成本。本文梳理一下主流的封裝結(jié)構(gòu)，供同行參考。

一 散熱器概念

1 散熱器pinfin概念

pinfin概念是2010年日本H公司提出的，后來在HPD以及SSC的散熱器都用到了該結(jié)構(gòu)。

上面圖中這些參數(shù)用軟件一頓計(jì)算，可知道什么樣的PIN結(jié)構(gòu)效率更高。有時(shí)因?yàn)樯a(chǎn)工藝的限制，結(jié)構(gòu)再漂亮，不一定生產(chǎn)得出來。

后來市面對pin的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也隨著制造工藝能力的提升，玩出花來，形狀各異不說，還有根據(jù)冷卻水流向云圖來定制的PIN。也有用鍵合鋁帶的思路來實(shí)現(xiàn)的，好像只有IFX 曾經(jīng)玩過。

帶pinfin產(chǎn)品能力提升大約30%-40%比例，這個(gè)成本比芯片面積減小的收益，結(jié)果是讓人開心的。

2 DSC概念

DSC概念是在2005年左右由H還是D先提出來的。國內(nèi)2010年左右也論文爆發(fā)，但是落地項(xiàng)目，大家還是相當(dāng)謹(jǐn)慎，市面上能看到的產(chǎn)品也不多，ON..HW..IFX..DENSO.也有衍生出其他產(chǎn)品。DSC在散熱上，上下比例大概也是8-2開，另外一個(gè)收益就是雜感有機(jī)會(huì)降低。

（網(wǎng)圖ON DSC）

在這條線上的Delphi也混的不錯(cuò)，器件尺寸能縮到很小，在OBC系統(tǒng)中，體積優(yōu)勢尤其突出。

（Delphi的概念） 關(guān)于DSC，也有一些證偽的驗(yàn)證，始終無法落地，當(dāng)他是2.45代吧。如下：芯片上面焊接連接采用預(yù)沉積30um厚的銅柱再研磨拋光再做焊接，這對上層互聯(lián)用的DBC的平面度要求更高，warpage大了，就導(dǎo)致個(gè)別凸臺(tái)無法接觸，Vfd的數(shù)值比較大，手工件如此，可靠性的測試就沒啥人做，數(shù)據(jù)更少了。其中一個(gè)優(yōu)勢——免除所有鍵合線；晶圓工藝的成本不知道能不能抵得過封裝流程簡化的成本。

3 DLB 或clip互聯(lián)

在芯片表面鍍層能可靠焊接之后，大家的想法也更加豐富了；直接將芯片表面與外部電氣接口，通過一個(gè)clip整體，直接連在一起，gate也有機(jī)會(huì)如此。這對焊接技術(shù)要求很高，良率上不去，成本下不來。

塞米控的SKiN概念，應(yīng)該是有產(chǎn)品落地，但沒機(jī)會(huì)見過實(shí)物。

這類正面連接的技術(shù)路線，不再使用粗銅鋁線進(jìn)行互聯(lián)，鍵合設(shè)備的需求會(huì)降低，貼片設(shè)備需求增高。

4 水道直冷焊接技術(shù)

隨著功率密度不斷提高，散熱要求越來越高。硅膠、硅脂、碳膜等TIM技術(shù)也提升了很多，但還是不夠牛逼。接著就開始探索直接焊接或者燒結(jié)，大面積銀燒結(jié)技術(shù)走的更快，但銀膏貴，在成本上控制不住，收益不明顯，有條件不如加大芯片面積。

大家又繼續(xù)折騰soldering焊接技術(shù)，用賣材料的兄弟的話說，碰到做IGBT的都在做直焊這個(gè)事，也不見誰能突破，多元合金材料也送出去不少，還沒見誰有采購的意思。既然難，就不瞎說太多。

還有其他概念的，如ABB的壓接技術(shù)，冷焊，激光焊技術(shù)。

二 模塊封裝概念

目前汽車廠商主流的幾種模塊應(yīng)用解決方案，大概分為以下幾種： 分立器件 ；1 in 1；2in1 ；6in1；All in 1

分立器件：

典型案例：Tesla Model X等 設(shè)計(jì)非常經(jīng)典巧妙，IGBT單管夾在散熱水道兩邊，立體式設(shè)計(jì)節(jié)省空間；并且方便疊層母排布局，減小雜散電感； 優(yōu)點(diǎn)：成本低，集成度高，通用產(chǎn)品； 缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜，熱阻較大，散熱效率不高

1 in 1

典型案例一 ：Tesla Model 3 比較新穎的封裝形式，1 in 1這個(gè)名字很奇怪，為什么這種封裝看起來像分立器件卻被稱為模塊，直接叫分立器件不就完了。其實(shí)這種說法的原因是其采用了模塊的封裝技術(shù) Model 3 單個(gè)小模塊包含一個(gè)開關(guān)，內(nèi)部兩個(gè)SiC芯片并聯(lián)，使用時(shí)多個(gè)小模塊并聯(lián) 優(yōu)點(diǎn)：散熱效率高，設(shè)計(jì)布局靈活 缺點(diǎn)：量產(chǎn)工藝要求很高

典型案例二 ：德爾福Viper 雙面水冷散熱Viper讓德爾福在小型化上嘗到了不少甜頭，除了雙面水冷之外，這款模塊還取消了綁定線設(shè)計(jì)，提升了循環(huán)可靠性。

使用時(shí)，采用雙面水冷典型的夾心餅干散熱模式，非常誘人。

2in1 模塊

包含兩種： 一種是灌膠模塊封裝，早期應(yīng)用較多，例如下邊這種，工業(yè)上也比較常見。

第二種是塑封，也是國際上有經(jīng)驗(yàn)的廠商傾向于選擇的形式，一方面功率密度較大，便于小型化設(shè)計(jì)；另一方面具有一定的成本優(yōu)勢。 早期使用單面間接水冷的半橋模塊，博世產(chǎn)品上可以看到，后續(xù)主要的發(fā)展方向是雙面水冷和單面直接水冷。



以豐田普銳斯4代PCU為例，摒棄之前的All-in-1結(jié)構(gòu)，采用雙面水冷半橋模塊“插卡”式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)巧妙的同時(shí)，極大提升散熱效率，由此提升系統(tǒng)功率密度。

雙面水冷內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)緊湊，散熱效率高，塑封的可靠性高

缺點(diǎn)：沒有集成散熱絕緣陶瓷，設(shè)計(jì)時(shí)跟散熱器之前需要加隔離墊片

6 in 1

目前應(yīng)用最廣泛的模塊，尤其是國內(nèi)汽車廠商，設(shè)計(jì)相對簡單。說到這，不能不提英飛凌的明星產(chǎn)品：HP Drive Pin-Fin設(shè)計(jì)直接散熱底板，顯著提高功率模塊散熱效率，提高模塊的功率密度，再加上模塊化設(shè)計(jì)簡單，很快在汽車領(lǐng)域風(fēng)靡開來。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，功率密度高，應(yīng)用門檻低

缺點(diǎn)：成本高

針對Pin-Fin針翅成本高的問題，模塊廠商正在開發(fā)低成本的直接水冷板，例如英飛凌的wave散熱底板，在成本和散熱性能之間做了折中。

All in 1

典型應(yīng)用：豐田普銳斯系列 以普銳斯第三代PCU為例，這款電裝為豐田定制的功率系統(tǒng)，所有的IGBT和Diode被集成到一個(gè)AlN陶瓷板上，外觀上看像一個(gè)大的功率模塊。

三 發(fā)展趨勢

1）6 in 1模塊

雖然6In1模塊對汽車來說并不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，但由于其設(shè)計(jì)應(yīng)用的方便性，在短期內(nèi)還將占據(jù)主流，技術(shù)上主要會(huì)在散熱技術(shù)和可靠性尚下功夫 改進(jìn)點(diǎn)：

高導(dǎo)熱陶瓷材料的應(yīng)用，例如主流的Al2O3陶瓷更新Si3N4陶瓷

高可靠材料底板的應(yīng)用，例如高機(jī)械性能鋁硅碳底板代替銅底板

銀燒結(jié)技術(shù)的使用（Die與DBC、DBC與散熱板）

銅綁定線乃至銅帶綁定技術(shù)

2） 雙面水冷封裝

雙面水冷封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)一方面提升散熱效率，另一方面夾心式的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)易于拓展，同時(shí)，相對于硅膠灌封模塊，塑封的半橋模塊又具有一定的量產(chǎn)成本優(yōu)勢，相信未來一段時(shí)間會(huì)成為一個(gè)主流方向。

3） 單面直接水冷封裝

丹佛斯在PCIM Europe 2017上展示的Shower Power 3D技術(shù)，據(jù)稱比Pin-Fin的散熱能力還要優(yōu)秀。

4） 雙面直接水冷封裝

如日立的插式雙面水冷散熱，已在奧迪e-tron量產(chǎn)，理論上，這種形式的封裝散熱效果相對于單面直接水冷是顯而易見的

四 小結(jié)

汽車對功率模塊可靠性、功率密度的高要求，催生車規(guī)級(jí)模塊封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步并量產(chǎn)落地，相信到碳化硅時(shí)代，適應(yīng)于碳化硅的新型封裝技術(shù)會(huì)成為一個(gè)新的方向。

審核編輯：劉清