新能源車用IGBT模塊封裝技術(shù)概述

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)，具有BJT大電流增益和MOS壓控易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，廣泛應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域。在新能源汽車中，IGBT模塊封裝技術(shù)扮演著重要的角色，不僅影響新能源汽車的性能和質(zhì)量，還影響到新能源汽車的實(shí)際應(yīng)用和使用成本。它是在集成半導(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。

常見的新能源車用IGBT模塊封裝技術(shù)

焊接技術(shù)

軟釬焊技術(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。

低溫連接技術(shù)

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，因此總的來說低溫連接技術(shù)并不如軟釬焊技術(shù)應(yīng)用廣泛。

鍵合技術(shù)

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)致鍵合線開裂和IGBT模塊失效。雖然可以通過優(yōu)化鍵合線形狀、完善鍵合工藝參數(shù)等方式來提高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。

新能源車用IGBT模塊先進(jìn)封裝技術(shù)

目前雖然沒有明確提及專門針對(duì)新能源車用IGBT模塊的獨(dú)特先進(jìn)封裝技術(shù)，但從整體發(fā)展趨勢(shì)來看，一些技術(shù)的發(fā)展方向體現(xiàn)了先進(jìn)性。例如在焊接方面，對(duì)傳統(tǒng)的軟釬焊技術(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高其在不同工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)對(duì)于低溫連接技術(shù)中的銀燒結(jié)工藝，隨著研究的深入，可能會(huì)逐步克服其實(shí)施難度大、成本高的問題，從而成為更具優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)封裝技術(shù)。在鍵合技術(shù)方面，為了克服銅線鍵合與鋁金屬化層半導(dǎo)體芯片匹配困難的問題，相關(guān)研究可能會(huì)致力于開發(fā)新的表面處理技術(shù)或者改進(jìn)現(xiàn)有的電鍍、氣相沉積技術(shù)，使得銅線鍵合能更廣泛、更高效地應(yīng)用于新能源車用IGBT模塊封裝。另外，隨著智能化的發(fā)展趨勢(shì)，未來可能會(huì)出現(xiàn)集成智能傳感器等功能的IGBT模塊封裝技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)模塊的工作狀態(tài)如溫度、電流等，從而提高整個(gè)新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的可靠性和安全性。并且，為了適應(yīng)碳化硅（SiC）等新型材料在IGBT模塊中的應(yīng)用，針對(duì)其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)研發(fā)的封裝技術(shù)也將是先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展方向之一。例如碳化硅的高導(dǎo)熱性、高擊穿電場(chǎng)等特性，需要與之相匹配的封裝技術(shù)來充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，像開發(fā)特殊的散熱結(jié)構(gòu)和電氣連接方式等，這對(duì)于提升新能源車用IGBT模塊的性能將有著重要意義。

新能源車用IGBT模塊封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

追求更高的功率密度

隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)IGBT模塊的功率密度要求越來越高。這就要求在封裝技術(shù)上不斷創(chuàng)新，例如采用更緊湊的芯片布局、優(yōu)化電氣連接結(jié)構(gòu)等方式，來提高單位體積內(nèi)的功率輸出能力。從目前的技術(shù)發(fā)展來看，芯片的尺寸在逐漸縮小，同時(shí)多個(gè)芯片的集成度不斷提高，通過合理的布局和連接，可以在不增加模塊體積的情況下提升功率密度。這不僅有助于提升新能源汽車的動(dòng)力性能，還能夠減小模塊的占用空間，為汽車的整體設(shè)計(jì)提供更多的靈活性。

提高散熱效率

在新能源汽車運(yùn)行過程中，IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不及時(shí)，會(huì)影響模塊的性能和使用壽命。因此，未來的封裝技術(shù)將更加注重散熱效率的提升。一方面，通過改進(jìn)散熱基板的材料和結(jié)構(gòu)，如采用高導(dǎo)熱率的陶瓷材料或者金屬復(fù)合材料，增加散熱通道等；另一方面，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)與散熱系統(tǒng)的集成方式，使熱量能夠更快速地散發(fā)出去。例如，采用特殊的散熱鰭片設(shè)計(jì)或者開發(fā)新型的散熱界面材料，降低熱阻，提高熱量傳導(dǎo)效率，從而保證IGBT模塊在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

增強(qiáng)可靠性

新能源汽車的使用環(huán)境復(fù)雜多變，IGBT模塊需要具備高可靠性才能滿足汽車的要求。這就要求封裝技術(shù)在抗震、抗腐蝕、抗溫度變化等方面不斷改進(jìn)。在抗震方面，通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)和材料，提高模塊的機(jī)械強(qiáng)度，防止在汽車行駛過程中的顛簸震動(dòng)對(duì)模塊造成損壞；在抗腐蝕方面，選擇合適的封裝材料和防護(hù)涂層，抵御外界環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)腐蝕；在抗溫度變化方面，研發(fā)能夠適應(yīng)極熱極冷環(huán)境的封裝技術(shù)，確保模塊在不同溫度條件下都能正常工作。同時(shí)，還需要提高封裝工藝的一致性和穩(wěn)定性，減少因工藝波動(dòng)導(dǎo)致的模塊性能差異和故障風(fēng)險(xiǎn)。

降低成本

成本是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。在IGBT模塊封裝技術(shù)方面，降低成本的途徑主要包括提高生產(chǎn)效率、減少原材料浪費(fèi)、降低工藝復(fù)雜度等。例如，通過自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，提高封裝的生產(chǎn)效率，降低人工成本；優(yōu)化焊接和鍵合工藝，減少因工藝失敗導(dǎo)致的原材料浪費(fèi)；開發(fā)更簡單、更經(jīng)濟(jì)的封裝結(jié)構(gòu)和材料，在不影響性能的前提下降低成本。這樣可以提高新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)新能源汽車的普及和發(fā)展。

不同品牌新能源車IGBT模塊封裝技術(shù)對(duì)比

目前不同品牌的新能源車在IGBT模塊封裝技術(shù)上存在一定的差異。例如，英飛凌作為知名的半導(dǎo)體供應(yīng)商，其車規(guī)級(jí)功率模塊HybridPACK? Drive采用了特定的封裝形式。在一些對(duì)比研究中，英飛凌的IGBT模塊封裝技術(shù)可能在功率密度、散熱效率或者可靠性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。像在與基于1200V CoolSiC?碳化硅MOSFET技術(shù)對(duì)比時(shí)，在能耗等方面表現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，其IGBT模塊封裝技術(shù)可能是影響這些性能差異的因素之一。然而，由于各品牌的技術(shù)研發(fā)方向、成本控制策略以及與整車的匹配要求等因素不同，導(dǎo)致在IGBT模塊封裝技術(shù)上各有側(cè)重。一些新興的新能源汽車品牌可能會(huì)更傾向于采用成本較低的封裝技術(shù)解決方案，在滿足基本性能要求的前提下降低整車成本；而一些高端品牌則可能會(huì)追求更先進(jìn)、更高性能的封裝技術(shù)，以提升車輛的動(dòng)力性能、續(xù)航里程和可靠性等。同時(shí)，不同品牌也會(huì)根據(jù)自身的供應(yīng)鏈情況選擇不同的IGBT模塊供應(yīng)商，這些供應(yīng)商的封裝技術(shù)水平也會(huì)對(duì)品牌車輛的性能產(chǎn)生影響。但由于各品牌對(duì)于自身IGBT模塊封裝技術(shù)的細(xì)節(jié)往往視為商業(yè)機(jī)密，很難獲取到全面準(zhǔn)確的對(duì)比信息，這也給深入的技術(shù)對(duì)比帶來了一定的困難。

IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)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(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)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(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)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(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)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(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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