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追Q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(jiàn)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(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。

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(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)

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。

新能源車用IGBT模塊先進(jìn)封裝技術(shù)

目前雖然沒(méi)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(lái)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(wèn)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(wèn)題，相關(guān)研究可能會(huì)致力于開(kāi)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(lái)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(lái)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，像開(kāi)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)的封裝技術(shù)將更加注重散熱效率的提升。一方面，通過(guò)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?gòu)?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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)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(lái)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(zhǎng)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(shù)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(zhǎng)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(rùn)濕劑、樹(shù)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(lái)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(shù)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(kāi)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。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

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(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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