詳細解讀IGBT模塊的12道封裝工藝

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首先，我們先了解一下，什么是功率半導體？

功率半導體包括兩個部分：功率器件和功率IC。功率器件是功率半導體分立器件的分支，而功率IC則是將功率半導體分立器件與各種功能的外圍電路集成而得來。功率半導體的功能主要是對電能進行轉換，對電路進行控制，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、使用較多的半導體器件，一是晶閘管，它可以輸出較大功率，但頻率相對較低，主要用于直流輸電和大功率低頻電源等；二是IGCT，它是將GTO與門極驅動電路以低感方式集成在一起，這樣可以改善關斷性能，此器件目前主要用于大功率電機傳動，包括船舶驅動、海上風電等；三是IGBT，自上世紀90年代突破技術瓶頸以后，已經實現(xiàn)產業(yè)化和大規(guī)模應用，當前大功率IGBT最高可實現(xiàn)6500V，其應用方式較廣，包括軌道交通、光伏發(fā)電、汽車電子等，是當前主流開關器件。

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

IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅動系統(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IGBT提出非常高的要求，要求其擁有更強大、更高效的功率處理能力，同時也要降低本身過多的電力消耗和不必要的熱量產生，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)、結溫等與全生命周期可靠性相關的一些方面提出了更高的標準。

作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT應用非常廣泛，如家用電器、電動汽車、鐵路、充電基礎設施、充電樁，光伏、風能，工業(yè)制造、電機驅動，以及儲能等領域。

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。

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。

按照封裝形式和復雜程度，IGBT產品可以分為裸片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，適用于新能源汽車、高鐵、光伏發(fā)電等大功率領域；

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

IGBT 應用領域

實現(xiàn)IGBT國產化，不僅需要研發(fā)出一套集芯片設計、晶圓制造、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應用等于一體的成熟工藝技術，更需要先進的工藝設備。

隨著芯片減薄工藝的發(fā)展，對封裝提出了更高的要求。封裝環(huán)節(jié)關系到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，更好地適應惡劣環(huán)境。

IGBT模塊封裝是將多個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、可靠性更高是市場對IGBT模塊的需求趨勢。常見的模塊封裝技術有很多，各生產商的命名也不一樣，如英飛凌的62mm封裝、TP34、DP70等等。一個IGBT模塊的封裝需經歷貼片、真空焊接、等離子清洗、X-RAY照線光檢測、鍵合、灌膠及固化、成型、測試、打標等等的生產工序。

IGBT封裝工藝流程

IGBT模塊封裝流程簡介

1、絲網印刷：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；

IGBT封裝環(huán)節(jié)包括：絲網印、貼片、鍵合、功能測試等環(huán)節(jié)。這其中任何一個看似簡單的環(huán)節(jié)，都需要高水準的封裝技術和設備配合完成。

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。這個過程需要對IGBT芯片進行取放，要確保貼片良率和效率，就要求以電機為核心的貼片機具有高速、高頻、高精力控等特點。隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，對高功率、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，以滿足整車生產需求，不再被上游產業(yè)鏈“卡脖子”。

要生產具有高可靠性的IGBT模塊，高精度芯片貼裝設備必不可少。

3、真空回流焊接：將完成貼片的DBC半成品置于真空爐內，進行回流焊接；

高質量的焊接技術，才能生產出高可靠性的產品。一般回流焊爐在焊接過程中會殘留氣體，并在焊點內部形成氣泡和空洞。超標的焊接氣泡會對焊點可靠性產生負面的影響，包括：

（1） 焊點機械強度下降；

（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. 導熱性降低導致元器件過度升溫。

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，相對于傳統(tǒng)的回流焊，真空回流焊在產品進入回流區(qū)的后段，制造一個真空環(huán)境，大氣壓力可以降到 5mbar（500pa）以下，并保持一定的時間，從而實現(xiàn)真空與回流焊接的結合，此時焊點仍處于熔融狀態(tài)，而焊點外部環(huán)境則接近真空，由于焊點內外壓力差的作用，使得焊點內的氣泡很容易從中溢出，焊點空洞率大幅降低。低的空洞率對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電流和熱能，所以減少焊點中的空洞，可以從根本上提高器件的導電導熱性能。

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，IGBT芯片打線將各個IGBT芯片或DBC間連結起來，形成完整的電路結構。

半導體鍵合AOI主要應用于WB段后的檢測，可為IGBT生產提供焊料、焊線、焊點、DBC表面、芯片表面、插針等全面的檢測。

▲高精度還原線弧

7、激光打標：對IGBT模塊殼體表面進行激光打標，標明產品型號、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。

IGBT模塊的封裝技術難度高，高可靠性設計和封裝工藝控制是其技術難點。IGBT模塊具有使用時間長的特點，汽車級模塊的使用時間可達15年。因此在封裝過程中，模塊對產品的可靠性和質量穩(wěn)定性要求非常高。高可靠性設計需要考慮材料匹配、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、高可靠互連、ESD防護、老化篩選等，生產中一個看似簡單的環(huán)節(jié)往往需要長時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，但鍵合點的選擇、鍵合的力度、時間及鍵合機的參數(shù)設置、鍵合過程中應用的夾具設計、員工操作方式等等都會影響到產品的質量和成品率。

來源：芯片半導體實驗室

審核編輯 黃宇