IGBT模塊的12道封裝制程工藝

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什么是功率半導(dǎo)體？

功率半導(dǎo)體包括兩個(gè)部分：功率器件和功率IC。功率器件是功率半導(dǎo)體分立器件的分支，而功率IC則是將功率半導(dǎo)體分立器件與各種功能的外圍電路集成而得來。功率半導(dǎo)體的功能主要是對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)電路進(jìn)行控制，改變電子裝置中的電壓和頻率，直流或交流等，均具有處理高電壓、大電流的能力。

目前主流、使用較多的半導(dǎo)體器件，一是晶閘管，它可以輸出較大功率，但頻率相對(duì)較低，主要用于直流輸電和大功率低頻電源等；二是IGCT，它是將GTO與門極驅(qū)動(dòng)電路以低感方式集成在一起，這樣可以改善關(guān)斷性能，此器件目前主要用于大功率電機(jī)傳動(dòng)，包括船舶驅(qū)動(dòng)、海上風(fēng)電等；三是IGBT，自上世紀(jì)90年代突破技術(shù)瓶頸以后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)前大功率IGBT最高可實(shí)現(xiàn)6500V，其應(yīng)用方式較廣，包括軌道交通、光伏發(fā)電、汽車電子等，是當(dāng)前主流開關(guān)器件。

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)，它的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還承擔(dān)電壓高低轉(zhuǎn)換的功能，可以說是電動(dòng)車的核心技術(shù)之一。IGBT的好壞直接影響電動(dòng)車功率的釋放速度。

IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。

新能源汽車對(duì)IGBT提出非常高的要求，要求其擁有更強(qiáng)大、更高效的功率處理能力，同時(shí)也要降低本身過多的電力消耗和不必要的熱量產(chǎn)生，以提高整車的性能。主要在溫度沖擊、功率循環(huán)、溫度循環(huán)、結(jié)溫等與全生命周期可靠性相關(guān)的一些方面提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，IGBT應(yīng)用非常廣泛，如家用電器、電動(dòng)汽車、鐵路、充電基礎(chǔ)設(shè)施、充電樁，光伏、風(fēng)能，工業(yè)制造、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

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。

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。

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按照封裝形式和復(fù)雜程度，IGBT產(chǎn)品可以分為裸片DIE、IGBT單管、IGBT模塊和IPM模塊。

1、裸片DIE：由一片晶圓切割而成的多顆裸片DIE；

2、IGBT單管：由單顆DIE封裝而成的IGBT分立器件，電流能力小，適用于家電等領(lǐng)域；

3、IGBT模塊：由多顆DIE并聯(lián)封裝而成，功率更大、散熱能力更強(qiáng)，適用于新能源汽車、高鐵、光伏發(fā)電等大功率領(lǐng)域；

4、IPM模塊：在IGBT模塊外圍增加其他功能的智能功率模塊（IPM）；

IGBT被稱成為“功率半導(dǎo)體皇冠上的明珠”，廣泛應(yīng)用于光伏電力發(fā)電、新能源汽車、軌道交通、配網(wǎng)建設(shè)、直流輸電、工業(yè)控制等行業(yè)，下游需求市場(chǎng)巨大。IGBT的核心應(yīng)用產(chǎn)品類型為IGBT模塊。IGBT模塊的市占率能夠達(dá)到50%以上，而IPM模塊和IGBT單管分別只有28%左右和20%左右。從產(chǎn)品的投資價(jià)值來看，由于IGBT模塊的價(jià)值量最大，有利于企業(yè)快速提升產(chǎn)品規(guī)模，其投資價(jià)值最大。

IGBT 應(yīng)用領(lǐng)域

實(shí)現(xiàn)IGBT國(guó)產(chǎn)化，不僅需要研發(fā)出一套集芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)應(yīng)用等于一體的成熟工藝技術(shù)，更需要先進(jìn)的工藝設(shè)備。

隨著芯片減薄工藝的發(fā)展，對(duì)封裝提出了更高的要求。封裝環(huán)節(jié)關(guān)系到IGBT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。

IGBT模塊封裝是將多個(gè)IGBT集成封裝在一起，以提高IGBT模塊的使用壽命和可靠性，體積更小、效率更高、可靠性更高是市場(chǎng)對(duì)IGBT模塊的需求趨勢(shì)。常見的模塊封裝技術(shù)有很多，各生產(chǎn)商的命名也不一樣，如英飛凌的62mm封裝、TP34、DP70等等。一個(gè)IGBT模塊的封裝需經(jīng)歷貼片、真空焊接、等離子清洗、X-RAY照線光檢測(cè)、鍵合、灌膠及固化、成型、測(cè)試、打標(biāo)等等的生產(chǎn)工序。

IGBT封裝工藝流程

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；

IGBT封裝環(huán)節(jié)包括：絲網(wǎng)印、貼片、鍵合、功能測(cè)試等環(huán)節(jié)。這其中任何一個(gè)看似簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，都需要高水準(zhǔn)的封裝技術(shù)和設(shè)備配合完成。

例如貼片環(huán)節(jié)，將IGBT芯片與FRED芯片貼裝于DBC印刷錫膏表面。這個(gè)過程需要對(duì)IGBT芯片進(jìn)行取放，要確保貼片良率和效率，就要求以電機(jī)為核心的貼片機(jī)具有高速、高頻、高精力控等特點(diǎn)。

隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)高功率、高密度的IGBT模塊的需求急速增加，很多汽車廠商都已走上了IGBT自研道路，以滿足整車生產(chǎn)需求，不再被上游產(chǎn)業(yè)鏈“卡脖子”。

要生產(chǎn)具有高可靠性的IGBT模塊，高精度芯片貼裝設(shè)備必不可少。

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；

高質(zhì)量的焊接技術(shù)，才能生產(chǎn)出高可靠性的產(chǎn)品。一般回流焊爐在焊接過程中會(huì)殘留氣體，并在焊點(diǎn)內(nèi)部形成氣泡和空洞。超標(biāo)的焊接氣泡會(huì)對(duì)焊點(diǎn)可靠性產(chǎn)生負(fù)面的影響，包括：

（1） 焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降；

（2） 元器件和PCB電流通路減少；

（3）高頻器件的阻抗增加明顯；

4. 導(dǎo)熱性降低導(dǎo)致元器件過度升溫。

真空回流焊接工藝是在回流焊接過程中引入真空環(huán)境的一種回流焊接技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的回流焊，真空回流焊在產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)的后段，制造一個(gè)真空環(huán)境，大氣壓力可以降到 5mbar（500pa）以下，并保持一定的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)真空與回流焊接的結(jié)合，此時(shí)焊點(diǎn)仍處于熔融狀態(tài)，而焊點(diǎn)外部環(huán)境則接近真空，由于焊點(diǎn)內(nèi)外壓力差的作用，使得焊點(diǎn)內(nèi)的氣泡很容易從中溢出，焊點(diǎn)空洞率大幅降低。低的空洞率對(duì)存在大面積焊盤的功率器件尤其重要，由于高功率器件需要通過這些大面積焊盤來傳導(dǎo)電流和熱能，所以減少焊點(diǎn)中的空洞，可以從根本上提高器件的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。

4、超聲波清洗：通過清洗劑對(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求。

5、X-RAY缺陷檢測(cè)：通過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：通過鍵合打線，IGBT芯片打線將各個(gè)IGBT芯片或DBC間連結(jié)起來，形成完整的電路結(jié)構(gòu)。

半導(dǎo)體鍵合AOI主要應(yīng)用于WB段后的檢測(cè)，可為IGBT生產(chǎn)提供焊料、焊線、焊點(diǎn)、DBC表面、芯片表面、插針等全面的檢測(cè)。

7、激光打標(biāo)：對(duì)IGBT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。

IGBT模塊的封裝技術(shù)難度高，高可靠性設(shè)計(jì)和封裝工藝控制是其技術(shù)難點(diǎn)。IGBT模塊具有使用時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，汽車級(jí)模塊的使用時(shí)間可達(dá)15年。因此在封裝過程中，模塊對(duì)產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求非常高。高可靠性設(shè)計(jì)需要考慮材料匹配、高效散熱、低寄生參數(shù)、高集成度。封裝工藝控制包括低空洞率焊接/燒結(jié)、高可靠互連、ESD防護(hù)、老化篩選等，生產(chǎn)中一個(gè)看似簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)往往需要長(zhǎng)時(shí)間摸索才能熟練掌握，如鋁線鍵合，表面看只需把電路用鋁線連接起來，但鍵合點(diǎn)的選擇、鍵合的力度、時(shí)間及鍵合機(jī)的參數(shù)設(shè)置、鍵合過程中應(yīng)用的夾具設(shè)計(jì)、員工操作方式等等都會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

來源：芯片半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室

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