新能源車用IGBT模塊封裝技術的現(xiàn)狀

一、IGBT模塊在新能源汽車中的關鍵地位

在新能源汽車中，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊是極為關鍵的元件之一。例如在電機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電動空調控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等都有廣泛應用。在主逆變器中，IGBT將高壓電池的直流電轉換為驅動三相電機的交流電；在車載充電機中，參與220V交流電轉換為直流并為高壓電池充電。其成本占據電機控制器成本的40%左右，占新能源汽車整車成本的10%左右，占充電樁成本20%左右 。

二、封裝技術的主要工藝及難點

IGBT封裝從芯片來料到封裝完成主要經過絲網印刷 - 自動貼片 - 真空回流焊接 - 超聲波清洗 - 缺陷檢測（X光） - 自動引線鍵合 - 激光打標 - 殼體塑封 - 功率端子鍵合 - 殼體灌膠與固化 - 端子成形 - 功能測試等工藝。每一個工藝環(huán)節(jié)相較于其他的工藝技術，其技術難度系數都是相當高的。由于汽車工作環(huán)境惡劣，可能面臨強振動、高溫、高濕等極端條件，對于車規(guī)級IGBT而言，在溫度沖擊、溫度循環(huán)、功率循環(huán)、耐溫性能等要求標準遠高于工業(yè)級和消費級。汽車級IGBT模塊的使用時間要求需要達到15年，所以在封裝過程中，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、高集成度等因素。封裝工藝控制還包括低空洞率焊接/燒結、高可靠互連、ESD防護、老化篩選等環(huán)節(jié) 。

三、當前的技術格局

從全球范圍來看，目前差不多70%的車規(guī)級IGBT市場份額都被歐、美、日等國瓜分，國內的IGBT設計及制造能力發(fā)展參差不齊，但也有不少企業(yè)在不斷進行技術創(chuàng)新并尋求突破。例如比亞迪研發(fā)出的全新車規(guī)級產品IGBT4.0，其芯片損耗、模塊溫度循環(huán)能力、電流輸出能力等關鍵指標，達到了全球領先水平 。

IGBT模塊封裝技術的發(fā)展歷程

一、早期的IGBT模塊封裝技術

IGBT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。早期的IGBT模塊采用傳統(tǒng)的封裝方式，如引線鍵合和單邊散熱技術，這種傳統(tǒng)Si基功率模塊封裝存在寄生參數過高、散熱效率差的問題。傳統(tǒng)的封裝主要是為了滿足當時的基本功能需求，對于功率密度、散熱等方面的考慮相對較少，并且對于在汽車等特殊環(huán)境下工作的可靠性要求也沒有如今這么高 。

二、技術改進的推動因素

隨著技術的發(fā)展和應用場景的變化，特別是電動汽車的蓬勃發(fā)展，對IGBT模塊提出了更高的要求。例如，在電動汽車中，IGBT需要頻繁地進行高電壓、高電流的轉換，這就要求IGBT模塊具有更高的可靠性和更好的散熱性能。此外，新能源汽車在功率密度、驅動效率方面的要求不斷提高，也促使IGBT模塊封裝技術不斷改進。

三、關鍵技術發(fā)展階段

1. 疊層封裝技術的出現(xiàn)：這種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。

2. 無引線互連和雙面散熱技術的應用：SiC功率模塊封裝在結構上采用了無引線互連（wirelessinterconnection）和雙面散熱（double - sidecooling）技術，解決了傳統(tǒng)封裝中寄生參數過高和散熱效率差的問題。同時，選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術。

3. 2.5D和3D模塊封裝結構的發(fā)展：為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的2.5D和3D模塊封裝結構被開發(fā)出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在2.5D結構中，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增加的一層轉接板中的金屬連線實現(xiàn)；在3D模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現(xiàn)垂直互連。這些結構有助于提高模塊的性能和集成度 。

新能源車用IGBT模塊封裝技術的創(chuàng)新方向

一、材料創(chuàng)新

1. 新型互連材料的探索

• 在IGBT模塊封裝中，傳統(tǒng)的互連材料可能存在一些局限性。例如，在鍵合技術方面，鋁線鍵合工藝雖然成本較低，但鋁本身的熱學特性、導電性能較差，在熱碰撞性能上，鋁線難以與半導體芯片相匹配，會出現(xiàn)熱應力聚集，可能導致鍵合線開裂和IGBT模塊失效。而銅線的力學特性、熱學特性、電學特性均優(yōu)于鋁線，用銅線進行鍵合，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，能有效提升功率循環(huán)能力。然而，銅線無法與鋁金屬化層為基礎的半導體芯片良好匹配，往往需要運用電鍍、氣相沉積等方式對銅金屬化處理，使半導體芯片表面適應銅線鍵合，這也加大了工藝的復雜性。

• 除了金屬線的創(chuàng)新，在焊接材料方面也有改進的空間。例如銀燒結工藝這種低溫連接技術，與普通軟釬焊層相比，銀燒結層的厚度更薄，僅為普通焊層的50% - 80%左右，且具有5倍左右的高電導率、高熱導率，所以銀燒結層同時具有良好的功率循環(huán)能力和溫度循環(huán)能力，不過由于實施難度較大，工藝參數難以摸索，且設備、銀粉成本較高，應用還不夠廣泛 。

2. 封裝材料的改進

• 在封裝材料方面，傳統(tǒng)的硅膠灌封方式在新能源車用電網電力風電方面（1200V以上領域）存在不足之處，例如在連續(xù)高溫200度環(huán)境下工作時，性能變差，底部會產生VOLD，鋁線形變，器件容易擊穿燒毀。而高耐熱、低熱膨脹低收縮性液態(tài)環(huán)氧有取代硅膠灌封的趨勢，日本的一些超級IGBT模塊大廠（M社/F社）已逐步采用，國內也已有電力方面IGBT模組大公司在進行環(huán)氧灌封技術試驗（1200V以上領域） 。

二、結構創(chuàng)新

1. 提高集成度的封裝結構

• 隨著新能源汽車技術的不斷發(fā)展，對IGBT模塊的集成度要求越來越高。例如通過采用三維封裝技術，可以在有限的空間內集成更多的IGBT芯片，從而提高模塊的功率密度。此外，還可以將傳感器等集成到IGBT模塊中，實現(xiàn)多功能、集成化的封裝設計。這種集成化的結構有助于減少模塊的體積，提高系統(tǒng)的整體性能，并且可以降低系統(tǒng)的復雜度和成本。

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2. 改善散熱性能的結構設計

• 高效散熱是保證IGBT模塊穩(wěn)定工作的關鍵。為了提高散熱效率，一些新的結構設計不斷涌現(xiàn)。例如采用雙面散熱結構，可以使熱量從芯片的兩面散發(fā)出去，提高散熱效率。還有采用特殊的散熱通道設計，優(yōu)化散熱路徑，使熱量能夠更快地散發(fā)出去，降低芯片的溫度，從而提高模塊的可靠性和使用壽命。

三、工藝創(chuàng)新

1. 焊接工藝的優(yōu)化

• 在焊接技術方面，軟釬焊技術是常用的方法，主要利用真空回流焊/真空共晶爐連接各種電氣元件，如半導體芯片、陶瓷襯板和基板等。在軟釬焊接過程中，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，需要加入助焊劑，并在焊接完成后進行清洗處理，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備較為復雜，焊接時需要使用特制的夾具來定位焊片和焊接件。目前，為了提高焊接的可靠性，還在不斷優(yōu)化焊接工藝參數，以降低焊接缺陷，如空洞、枕頭缺陷、不潤濕開路、枝晶生長、開裂和翹曲等。

2. 鍵合工藝的提升

• 在鍵合工藝上，除了探索新的鍵合材料（如銅線）外，也在不斷優(yōu)化鍵合工藝參數，例如優(yōu)化鍵合線形狀等。對于不同的鍵合材料，如鋁線和銅線，需要根據其特性來調整鍵合工藝。對于銅線鍵合，由于銅的硬度和楊氏模量相較于鋁都更大，為了保證鍵合的效果，對超聲能量的要求更高，需要精確控制超聲能量，以避免損傷超薄型的IGBT芯片甚至導致芯片內部結構被損壞。

未來新能源車對IGBT模塊封裝技術的需求

一、應對惡劣工作環(huán)境的高可靠性需求

1. 高可靠性的多方面要求

• 新能源汽車工作環(huán)境惡劣，可能面臨強振動、高溫、高濕等極端條件。因此，IGBT模塊封裝技術的高可靠性設計需要考慮多個方面。例如，在材料匹配方面，基板材料需要具有良好的熱導性和強度，焊料需要具有良好的高低溫度循環(huán)沖擊可靠性，封裝結構需要能夠有效降低寄生電感等。

• 高可靠性還體現(xiàn)在封裝工藝控制上，包括低空洞率焊接/燒結、高可靠互連、ESD防護、老化篩選等環(huán)節(jié)。例如，低空洞率焊接可以提高焊接層的可靠性，降低因焊接缺陷導致的失效風險；ESD防護可以防止靜電對模塊造成損害；老化篩選能夠剔除早期失效的產品，提高產品的整體可靠性。

2. 長壽命的需求

• 新能源車用IGBT模塊的使用時間可達15年以上，因此封裝技術必須滿足長壽命的要求。這需要綜合考慮材料的老化、焊接的可靠性、散熱性能等因素。例如，采用耐高溫、抗老化的封裝材料可以延長模塊的使用壽命；采用低空洞率焊接/燒結技術可以提高焊接層的可靠性，降低因焊接缺陷導致的失效風險。

二、滿足高性能要求的封裝技術需求

1. 高效能封裝需求

• 新能源車用IGBT模塊的高效能封裝主要體現(xiàn)在提高電流承載能力、降低導通損耗和開關損耗等方面。為了實現(xiàn)高效能封裝，通常采用并聯(lián)連接的芯片結構，并通過引線鍵合和焊接技術實現(xiàn)電氣互連。同時，采用先進的封裝材料和結構，如銅基板、鋁基碳化硅（AlSiC）等，可以顯著提高模塊的散熱性能，降低結溫，從而提高模塊的可靠性和使用壽命。

2. 高集成度需求

• 隨著新能源汽車技術的不斷發(fā)展，對IGBT模塊的集成度要求越來越高。例如，汽車的電子系統(tǒng)越來越復雜，需要在有限的空間內集成更多的功能。通過采用三維封裝技術，可以在有限的空間內集成更多的IGBT芯片，還可以將傳感器等集成到IGBT模塊中，實現(xiàn)多功能、集成化的封裝設計，提高模塊的功率密度，滿足汽車對于空間和性能的要求。

新能源車用IGBT模塊封裝技術的國際發(fā)展趨勢

一、小型化與輕量化

1. 小型化的技術實現(xiàn)

• 隨著新能源汽車對功率密度和續(xù)航里程的要求不斷提高，IGBT模塊的小型化成為必然趨勢。通過采用先進的封裝材料和結構，如Chip - on - stra（COS）、DirectCopperBonding（DBC）等，可以顯著減小模塊體積。例如，這些技術可以優(yōu)化芯片與基板的連接方式，減少不必要的空間占用，提高封裝密度，從而實現(xiàn)模塊的小型化。

• 小型化的IGBT模塊有助于在汽車有限的空間內集成更多的電子元件，提高汽車電子系統(tǒng)的集成度，并且可以降低模塊的重量，減少汽車的整體重量，從而有助于提高新能源汽車的續(xù)航里程。

2. 輕量化的意義和實現(xiàn)途徑

• 輕量化對于新能源汽車來說具有重要意義，它可以降低汽車的能耗，提高能源利用效率。在IGBT模塊封裝技術方面，除了采用小型化的封裝結構外，還可以通過選擇輕質的封裝材料來實現(xiàn)輕量化。例如，一些新型的高分子材料可能具有較輕的重量和良好的電氣性能、熱性能，可以在滿足模塊功能要求的同時減輕模塊的重量。

二、高效散熱的持續(xù)發(fā)展

1. 高效散熱技術的重要性

• 在IGBT模塊工作過程中，會產生大量的熱量，如果散熱不及時，會導致芯片溫度過高，從而影響模塊的性能、可靠性和使用壽命。因此，高效散熱是保證IGBT模塊穩(wěn)定工作的關鍵。特別是在高功率密度和高溫環(huán)境下，模塊的散熱問題更為突出，提高散熱效率成為當前研究的熱點之一。

2. 新型散熱技術的探索

• 除了傳統(tǒng)的散熱技術如鋁基板、銅基板散熱外，一些新型的散熱技術也在不斷探索中。例如，采用微通道冷卻技術，通過在模塊內部設計微小的冷卻通道，使冷卻液能夠快速帶走熱量；還有采用熱管散熱技術，利用熱管的高效熱傳導性能，將芯片產生的熱量迅速傳導到散熱片上進行散發(fā)。此外，一些新型的熱界面材料也在研發(fā)中，這些材料可以提高芯片與散熱基板之間的熱傳導效率，從而提高整個模塊的散熱性能。

三、智能化與集成化

1. 智能化趨勢的體現(xiàn)

• 在IGBT模塊封裝技術中，智能化趨勢也逐漸顯現(xiàn)。例如，可以在封裝過程中集成智能傳感器，用于實時監(jiān)測模塊的溫度、電流、電壓等參數，以便及時發(fā)現(xiàn)模塊的異常情況，提高系統(tǒng)的可靠性。同時，還可以通過智能算法對這些監(jiān)測數據進行分析，實現(xiàn)對模塊的智能控制，如根據溫度自動調整模塊的工作狀態(tài)，提高模塊的效率和使用壽命。

2. 集成化發(fā)展的方向

• 集成化是國際上IGBT模塊封裝技術的一個重要發(fā)展方向。除了前面提到的將多個IGBT芯片集成在一起提高功率密度外，還可以將驅動電路、保護電路等集成到IGBT模塊中，實現(xiàn)系統(tǒng)級的集成。這樣可以減少外部電路的連接，降低系統(tǒng)的復雜度，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且可以縮小整個系統(tǒng)的體積，滿足新能源汽車對于緊湊設計的要求。

IGBT模塊IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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