真空回流焊爐/真空焊接爐——新能源汽車的IGBT模塊封裝技術(shù)

之前，我們?cè)凇墩婵栈亓骱笭t（真空共晶爐）——IGBT功率器件焊接》一文中，提到了IGBT在很多領(lǐng)域方面都有應(yīng)用，并且由于新能源的流行，加上新能源汽車對(duì)于高電壓需求越來(lái)越大，IGBT成為了產(chǎn)品發(fā)展的焦點(diǎn)。今天我們就來(lái)著重探討一下新能源汽車的IGBT模塊封裝技術(shù)。

與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車在功率密度、驅(qū)動(dòng)效率方面都具有更高的要求。在運(yùn)行過(guò)程中，如果啟動(dòng)頻次過(guò)多，流過(guò)IGBT模塊的電流會(huì)急劇增加，從而產(chǎn)生較高的溫度；車輛長(zhǎng)時(shí)間放置后突然啟動(dòng)也會(huì)使IGBT模塊溫度出現(xiàn)變化，從而影響使用壽命；如果行駛路面凹凸不平產(chǎn)生顛簸，還會(huì)使IGBT模塊受到振動(dòng)。需要注意的是，如果使用的是永磁同步電機(jī)，還可能會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況，這也會(huì)造成流經(jīng)IGBT模塊的電流急劇增加。因此新能源汽車的IGBT模塊封裝技術(shù)非常具有調(diào)戰(zhàn)性。

IGBT模塊封裝是在集成半導(dǎo)體分立器件的基礎(chǔ)上，在模塊內(nèi)部完成封裝， 并實(shí)現(xiàn)多種功能，包括機(jī)械支撐、散熱通路、外部環(huán)境保護(hù)等。IGBT 模塊內(nèi)部通常包含半導(dǎo)體芯片、散熱基板、 鍵合線、功率引出端子、焊接層以及封裝管殼等多層結(jié)構(gòu)材料。為提高電流承載能力，滿足汽車的能源需求，半導(dǎo)體芯片往往以并聯(lián)形式連接，并基于引線鍵合的方式在芯片上表面實(shí)現(xiàn)電氣互連， 基于焊接的方式使芯片下表面與絕緣陶瓷襯板相連。

封裝是IGBT生產(chǎn)過(guò)程中較為關(guān)鍵的一步，而封裝技術(shù)的重點(diǎn)在于焊接與鍵合。

焊接技術(shù)
焊接主要分為軟釬焊技術(shù)和低溫連接技術(shù)。軟釬焊接技術(shù)主要利用真空回流焊/真空共晶爐連接各種電氣元件，如半導(dǎo)體芯片、陶瓷襯板和基板等。在軟釬焊接過(guò)程中，常用的焊料包括 AnSn、SnPb、PbSnAg 等，焊料常用焊膏或焊片的形式。使用焊膏焊接時(shí)，需要加入助焊劑，并在焊接完成后進(jìn)行清洗處理，但這種方式容易受到潮濕環(huán)境的影響。相比之下，使用焊片焊接通常無(wú)需助焊劑， 焊接完成后也不需要清洗，焊層更均勻，但這種方法所需的焊接設(shè)備較為復(fù)雜，焊接時(shí)需要使用特制的夾具來(lái)定位焊片和焊接件。現(xiàn)階段軟釬焊接技術(shù)的發(fā)展趨于成熟穩(wěn)定，在IGBT模塊封裝的應(yīng)用較為廣泛。

SiC模塊出現(xiàn)后，對(duì)焊接技術(shù)的要求更加嚴(yán)格了，因此需要更加有效地提高焊接工藝可靠性，所以出現(xiàn)了低溫連接技術(shù)。低溫焊接技術(shù)代表為銀燒結(jié)工藝，由于銀的熔點(diǎn)在900℃以上，針對(duì)銀燒結(jié)層時(shí)工作溫度最高可以控制在700℃左右。與普通軟釬焊層相比，銀燒結(jié)層的厚度更薄，僅為普通焊層的50%~80%左右，且具有5倍左右的高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，所以銀燒結(jié)層同時(shí)具有良好的功率循環(huán)能力和溫度循環(huán)能力。但由于實(shí)施難度較大，工藝參數(shù)難以摸索，且設(shè)備、銀粉成本較高，因此總的來(lái)說(shuō)低溫連接技術(shù)并不如軟釬焊技術(shù)應(yīng)用廣泛。

鍵合技術(shù)
介紹完了焊接技術(shù)，我們?cè)賮?lái)探討下封裝技術(shù)中的第二個(gè)重點(diǎn)——鍵合。IGBT模塊內(nèi)部存在許多并聯(lián)連接的芯片，其上方發(fā)射極與二極管芯片陽(yáng)極連接，兩者連接方式以引線鍵合為主。半導(dǎo)體芯片、絕緣襯板以及個(gè)別功率端子的連接也采用鍵合線的形式，并通過(guò)引線鍵合作用形成完整的電路結(jié)構(gòu)。

鍵合線種類眾多，有銅線、鋁線、銅包鋁線等等。由于成本較低的原因，鋁線鍵合工藝的應(yīng)用較為廣泛，但是鋁本身的熱學(xué)特性、導(dǎo)電性能較差，在熱碰撞性能上，鋁線難以與半導(dǎo)體芯片相匹配，會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力聚集，可能導(dǎo)致鍵合線開(kāi)裂和IGBT模塊失效。雖然可以通過(guò)優(yōu)化鍵合線形狀、完善鍵合工藝參數(shù)等方式來(lái)提高IGBT模塊的可靠性，但提升效果也有限，難以滿足部分高功率新能源汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。

與之相比，銅線的力學(xué)特性、熱學(xué)特性、電學(xué)特性均優(yōu)于鋁線，用銅線進(jìn)行鍵合，可靠性更高。特別是在功率密度、散熱效率較高的功率模塊上采用銅線鍵合時(shí)，能有效提升功率循環(huán)能力。但是銅線無(wú)法與鋁金屬化層為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片良好匹配，往往需要運(yùn)用電鍍、氣相沉積等方式對(duì)銅金屬化處理，使半導(dǎo)體芯片表面適應(yīng)銅線鍵合，這也加大了工藝的復(fù)雜性。銅的硬度和楊氏模量相較于鋁都更大（注：楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量，又稱拉伸模量，是彈性模量中最常見(jiàn)的一種），為了保證鍵合的效果，對(duì)超聲能量的要求更高，這難免會(huì)損傷超薄型的IGBT芯片，甚至可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)被損壞，因此銅線鍵合仍然具有一定的技術(shù)壁壘。

通過(guò)對(duì)封裝工藝中的兩大關(guān)鍵技術(shù)——焊接、鍵合的分析可看出，新能源汽車的IGBT模塊封裝技術(shù)非常具有挑戰(zhàn)性，在芯片技術(shù)成熟發(fā)展的背景下，芯片的熱功率密度會(huì)越來(lái)越大，因此需要不斷改進(jìn)IGBT模塊的封裝技術(shù)，以此來(lái)提高芯片焊接的可靠性，降低熱阻，封裝技術(shù)探索的道路任重道遠(yuǎn)。

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