功率模塊封裝工藝概述

功率模塊封裝技術是一種將電力電子器件、驅動電路、保護電路等集成在一個封裝體內的技術，是功率電子系統的重要組成部分，對系統的高效能量轉換、精確控制、可靠性提升等有著關鍵意義。

一、功率模塊封裝工藝介紹

（一）封裝類型

根據封裝材料不同，功率模塊封裝技術可分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝等。不同封裝類型具有不同的優缺點，應根據具體應用場景進行選擇。例如：

• 塑料封裝：具有輕質、易加工和低成本的特點，但導熱性較差。常用于對成本較為敏感、對散熱要求不是極高的中低功率模塊封裝場景，像一些消費類電子產品中的功率模塊可能會采用塑料封裝。

• 陶瓷封裝：陶瓷具有高導熱性和耐熱性，但成本較高。適用于對散熱和耐熱性要求較高的場景，如高壓、大功率模塊封裝。在一些工業級或者對性能要求苛刻的功率模塊中會被使用，因為其能夠在高溫、高電壓等惡劣條件下保持較好的性能。

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• 金屬封裝：具有優良的導熱性和機械強度，但重量較大。在需要良好散熱性能和較高機械穩定性的高功率、高熱量的功率模塊中較為適用，例如在某些大型電力設備中的功率模塊可能會采用金屬封裝。

（二）常見封裝形式

1. DIP封裝（雙列直插式封裝）

• 這是一種常見的功率模塊封裝類型，具有簡單易用、成本低廉的優點。其功率模塊插針直接插入印刷電路板（PCB）的通孔中，實現電氣連接。然而，隨著技術的發展，DIP封裝逐漸暴露出占用空間較大、熱性能較差等缺點。在一些對空間和散熱要求不高、對成本比較敏感的傳統電子設備中仍可能會使用到這種封裝形式，比如早期的一些簡單電子儀器中的功率模塊。

2. SOP封裝（小外形封裝）

• 比DIP封裝更加緊湊，節省空間。引腳數目一般較多，適用于需要更多引腳的功率模塊。不過，這種封裝類型的功率模塊在焊接過程中需要注意熱應力和機械應力。在一些對空間有一定要求，引腳需求較多的功率模塊應用場景中較為常見，如部分小型化的電子設備中的功率模塊封裝。

3. QFN封裝（無引腳封裝）

• 具有體積小、散熱性能好等優點。其功率模塊直接與PCB焊接，提高了電氣連接的可靠性。但在高溫、高濕度等惡劣環境下，QFN封裝的可靠性需要進一步驗證。在一些對體積和散熱有要求，工作環境相對較好的功率模塊應用場景中使用，比如部分便攜式電子設備中的功率模塊封裝。

4. TO封裝（通孔封裝）

• 適用于高功率、高熱量的功率模塊，具有較好的散熱性能和機械穩定性。隨著技術的發展，TO封裝也逐漸暴露出引腳數目有限、占用空間較大等缺點。在一些高功率的傳統電子設備，如部分功率較大的電源模塊中可能會采用這種封裝形式。

5. WLCSP封裝（晶圓級芯片尺寸封裝）

• 具有超小尺寸、超薄厚度等優點。其功率模塊可以直接與電路板連接，無需使用外部連接器。不過，這種封裝類型對技術和生產要求較高，需要專業的生產設備和技術人員。在對尺寸要求極小、對性能要求較高的高端電子設備中的功率模塊可能會采用這種封裝形式，如一些高端智能手機中的功率模塊封裝。

6. SIP封裝（單列直插式封裝）

• 具有簡單易用、成本低廉的優點。適用于小電流、低功率的應用場景。隨著技術的發展，SIP封裝逐漸被更先進的封裝類型所取代。在一些簡單的小功率電子設備中可能還會使用到這種封裝形式，比如小型的傳感器中的功率模塊封裝。

二、功率模塊封裝工藝特點

（一）集成化

功率模塊封裝能夠將多個電力電子器件、驅動電路、保護電路等集成在一起。例如在智能功率模塊（IPM）中，以IGBT為內核，內部集成了實時檢測電路，能夠連續檢測IGBT電流和溫度，確保在過載、短路或過熱等異常情況下能夠實現軟關斷，并發出故障信號，從而保護系統免受損壞。這種集成化設計使功率模塊具有高效、可靠、緊湊的特點，能夠滿足功率電子系統對高效能量轉換和精確控制的需求，減少了系統的復雜性，降低了成本，并且提高了系統的可靠性。

（二）對散熱要求高

功率模塊在工作過程中會產生大量熱量，因此散熱是其封裝工藝的一個關鍵特點。不同的封裝材料和結構對散熱性能有著重要影響。例如陶瓷封裝材料具有高導熱性和耐熱性，在散熱要求較高的場景下更具優勢。在封裝工藝中，還會采用一些散熱設計，如在基板表面設計散熱肋片或微流道結構，增加散熱面積，提高散熱效率；雙面散熱技術通過在芯片上下表面同時設置散熱路徑，實現雙面散熱，這種技術可以顯著降低芯片的結溫，提高模塊的可靠性和使用壽命；液冷散熱技術通過在模塊內部設置冷卻通道，利用冷卻液帶走芯片產生的熱量，不過這種技術成本較高，且對密封性和冷卻液的選擇有較高要求。

（三）電氣性能關鍵

封裝工藝需要確保良好的電氣連接和絕緣性能。芯片互連技術是功率模塊封裝中的核心環節之一，它直接關系到模塊的電氣性能和熱性能。目前，主流的芯片互連技術包括引線鍵合、倒裝芯片（Flip - Chip）、燒結銀互連等。例如，傳統的引線鍵合技術通過金線或鋁線將芯片與引線架連接，雖然技術成熟、成本低，但存在寄生電感大、散熱效果差等缺點；而倒裝芯片技術通過將芯片直接焊接在封裝基板上，實現了芯片與基板之間的直接電氣連接，大大縮短了電流回路，降低了寄生電感，提高了散熱性能，同時便于實現多芯片集成，提高模塊的功率密度；燒結銀互連技術利用銀的高導熱性和良好的電氣性能，通過高溫燒結將銀膏填充在芯片與基板之間的縫隙中，形成可靠的電氣連接和散熱通道，這種技術具有耐高溫、高導熱、低電阻等優點，在高端功率模塊中得到廣泛應用。

（四）多種材料應用

封裝過程中會使用到多種材料，包括陶瓷、金屬、塑料等。這些材料各自具有獨特的性能特點，需要根據具體的功率模塊需求進行選擇。陶瓷材料具有高絕緣性、耐高溫、尺寸穩定等優點，廣泛應用于高壓、大功率模塊封裝；金屬材料具有良好的導熱性、導電性和機械強度，常用于封裝散熱要求較高的模塊；塑料材料成本低、工藝簡單，適用于中低功率模塊封裝。隨著新材料技術的不斷發展，一些新型的封裝材料如碳納米管和石墨烯等也逐漸得到應用，這些材料具有優異的導熱性能和機械性能，有望進一步提高功率模塊的散熱性能和可靠性。

三、功率模塊封裝工藝步驟

（一）前道工序

1. 晶圓減薄（磨片）

• 封裝前，需對硅片背面進行減薄處理，使其變薄變輕，以滿足封裝工藝要求。在這個過程中，會在硅片表面貼一層保護膜，以防止磨片過程中電路受損。例如在一些高精度的功率模塊制造中，晶圓減薄可以使芯片在封裝后具有更合適的厚度，便于后續的裝配和散熱等操作。

2. 晶圓切割（劃片）

• 將減薄后的硅片通過精密劃片機切割成單個芯片，并進行質量檢測，確保每片芯片均符合標準。這一步驟是將晶圓上的多個芯片分離出來，為后續的裝片等工序做準備。如果切割不準確或者芯片質量檢測不嚴格，可能會導致封裝后的功率模塊出現性能問題，如芯片之間的短路或者斷路等。

3. 裝片（Die Attaching）

• 將合格的芯片粘貼到引線架或封裝襯底上，為后續的鍵合做準備。這一步驟中，選擇合適的粘結材料（如導熱膠、導電銀漿等）至關重要，它直接影響到芯片的散熱性能和電氣連接質量。例如，如果使用的導熱膠導熱性能不佳，可能會導致芯片在工作過程中熱量無法及時散發出去，從而影響功率模塊的性能和可靠性。

4. 鍵合（Wire Bonding）

• 使用金線或鋁線將芯片上的引線孔與引線架上的引腳連接，實現芯片與外部電路的電學連接。鍵合工藝要求精度高、可靠性好，以確保電流和信號的穩定傳輸。這是芯片與外部電路建立電氣連接的關鍵步驟，如果鍵合不牢固或者出現鍵合錯誤，可能會導致信號傳輸中斷或者電氣性能不穩定等問題。

（二）后道工序

1. 塑封（Molding）

• 采用環氧樹脂等材料對芯片進行包封，以保護其免受外力損壞，并加強器件的物理特性。塑封后進行固化處理，確保材料具有足夠的硬度和強度。塑封可以防止芯片受到外界的物理沖擊、灰塵、水分等的影響，保證芯片的正常工作環境。但是，如果塑封材料選擇不當或者塑封工藝存在問題，可能會導致芯片出現散熱不良或者內部應力過大等問題。

2. 電鍍（Plating）

• 為防止引線架生銹或受污染，需進行電鍍處理。電鍍可以在引線架表面形成一層保護膜，提高其抗腐蝕性能，從而延長功率模塊的使用壽命。例如，常見的電鍍材料有鎳、金等，不同的電鍍材料具有不同的性能特點，可以根據具體的需求進行選擇。

3. 切筋/打彎（Trimming/Forming）

• 去除引腳根部多余的塑膜，并將引腳打彎成所需形狀，便于安裝和使用。這一步驟可以使功率模塊的引腳符合特定的電路板安裝要求，確保在安裝過程中能夠正確地與電路板進行連接。如果切筋/打彎操作不當，可能會導致引腳損壞或者無法正確安裝到電路板上。

4. 測試

• 對封裝后的功率模塊進行各種測試，包括電氣性能測試（如測試電流、電壓、電阻等參數）、功能測試（檢查模塊是否能正常實現其功能，如功率轉換功能等）、可靠性測試（如高溫、低溫、濕度等環境下的測試）等。通過測試可以篩選出不合格的產品，保證出廠的功率模塊具有良好的性能和可靠性。例如，在高溫測試中，可以檢測功率模塊在高溫環境下的散熱性能和電氣性能是否穩定，如果出現問題則需要對封裝工藝進行改進。

5. 包裝

• 將測試合格的功率模塊進行包裝，以便運輸和儲存。包裝需要考慮到防止功率模塊在運輸和儲存過程中受到機械振動、靜電、潮濕等因素的影響。合適的包裝可以保證功率模塊在到達用戶手中時仍然保持良好的性能和可靠性。

四、功率模塊封裝工藝優劣分析

（一）優勢

1. 提高性能和可靠性

• 通過集成化的封裝，將多個相關的電路和器件集成在一起，可以減少外部連接的數量，從而降低了因連接點過多而可能出現的故障風險。例如，智能功率模塊內部集成了各種保護電路，能夠及時對異常情況進行處理，提高了整個功率模塊的可靠性。同時，合理的封裝設計和工藝可以優化電氣性能，如降低寄生電感等，提高功率模塊的工作效率和穩定性。

2. 優化散熱

• 針對功率模塊工作時產生大量熱量的問題，封裝工藝中的散熱設計和采用的高導熱性材料（如陶瓷、金屬等）能夠有效地將熱量散發出去。例如，雙面散熱技術和在基板上設計散熱肋片等散熱方式，可以降低芯片的溫度，保證功率模塊在高功率工作狀態下的正常運行，延長其使用壽命。

3. 節省空間和成本

• 集成化的封裝使得功率模塊的體積更小，在一些對空間要求較高的電子設備中（如智能手機、平板電腦等），可以節省寶貴的電路板空間。而且，從成本角度來看，雖然一些高性能的封裝材料和工藝可能會增加部分成本，但由于減少了系統的復雜性、提高了生產效率和產品的良品率，總體上可以降低成本。例如，采用大規模生產的封裝工藝可以降低單個功率模塊的生產成本，并且通過集成多個功能電路，減少了額外的電路板和元件成本。

（二）劣勢

1. 散熱挑戰依然存在

• 盡管有各種散熱措施，但隨著功率模塊功率密度的不斷提高，散熱仍然是一個巨大的挑戰。例如，在一些高功率密度的應用場景下，如電動汽車的動力系統中的功率模塊，現有的散熱技術可能無法完全滿足其散熱需求，導致芯片溫度過高，影響功率模塊的性能和壽命。而且，一些散熱技術（如液冷散熱）雖然散熱效率高，但成本較高，并且存在冷卻液泄漏等風險。

2. 電氣性能受工藝影響大

• 封裝工藝中的芯片互連技術等環節如果出現問題，如引線鍵合的寄生電感問題、倒裝芯片焊接的質量問題等，會對功率模塊的電氣性能產生嚴重影響。而且，在一些復雜的封裝結構中，如多層布線、多芯片封裝時，要保證良好的電氣絕緣和信號傳輸是比較困難的，容易出現信號干擾、短路等問題。

3. 對材料和工藝要求高

• 為了實現良好的性能，功率模塊封裝需要使用高性能的材料（如高導熱、高絕緣的材料），這些材料往往成本較高或者加工難度較大。同時，一些先進的封裝工藝（如3D封裝）需要高精度的設備和嚴格的工藝控制，這對生產企業的技術水平和設備投入要求較高。例如，3D封裝結構中芯片的垂直互連需要精確的對準和連接技術，如果工藝控制不好，很容易導致封裝失敗或者性能下降。

五、功率模塊封裝工藝應用案例

（一）新能源汽車領域

1. 電機控制

• 在新能源汽車的電機控制系統中，功率模塊封裝起著至關重要的作用。例如，采用高性能的功率模塊封裝技術可以精確控制電機的運行，提高車輛的能效和性能。由于新能源汽車的電機功率較大，工作時會產生大量熱量，所以需要采用散熱性能良好的封裝工藝和材料。同時，為了保證電機控制的準確性和可靠性，封裝工藝需要確保良好的電氣連接和信號傳輸。像一些采用SiC功率模塊的新能源汽車，其封裝技術能夠適應高電壓、高溫度的工作環境，提高了整個電機控制系統的效率和可靠性。

2. 電池管理系統

• 功率模塊封裝在新能源汽車的電池管理系統中也有應用。電池管理系統需要對電池的充放電進行精確控制，以保證電池的安全和使用壽命。功率模塊封裝技術可以將相關的電路（如充電控制電路、放電保護電路等）集成在一起，提高系統的集成度和可靠性。而且，由于電池管理系統需要在不同的溫度和環境條件下工作，封裝工藝需要考慮到散熱、防潮、抗電磁干擾等因素。例如，采用具有良好電磁兼容性設計的功率模塊封裝，可以減少電池管理系統在工作過程中對其他電子設備的電磁干擾，同時也提高了自身的抗干擾能力。

（二）電力傳輸領域

1. 變電站設備

• 在變電站的設備中，如變壓器、整流器等，功率模塊封裝技術被廣泛應用。對于高功率的變電站設備，功率模塊需要能夠承受高電壓、大電流的工作條件。采用合適的封裝工藝（如陶瓷封裝等具有高絕緣性和高耐熱性的封裝方式）可以保證功率模塊在這些惡劣條件下的正常工作。同時，為了提高電力傳輸的效率，封裝工藝也需要優化電氣性能，減少能量損耗。例如，通過采用低寄生電感的芯片互連技術，可以提高功率模塊的轉換效率，降低在電力傳輸過程中的能量損失。

2. 高壓直流輸電（HVDC）系統

• 在高壓直流輸電系統中，功率模塊封裝技術同樣重要。由于HVDC系統工作在高電壓、大電流的狀態下，對功率模塊的絕緣性能、散熱性能和電氣性能要求極高。封裝工藝需要采用高性能的材料和先進的技術來滿足這些要求。例如，在一些HVDC換流站中的功率模塊采用了特殊的封裝結構，能夠在高電壓環境下保證良好的絕緣性能，并且通過高效的散熱設計，保證功率模塊在長時間高功率運行下的穩定性。同時，為了提高系統的可靠性，功率模塊封裝還集成了各種保護電路，如過流保護、過壓保護等電路。

（三）航空航天領域

1. 航空電子設備

• 在航空電子設備中，功率模塊封裝需要滿足嚴格的要求。由于航空航天環境的特殊性，如高海拔、溫度變化大、強電磁輻射等，功率模塊封裝必須具有高可靠性、高抗干擾能力和良好的散熱性能。例如，在飛機的飛行控制系統中的功率模塊，采用了特殊的封裝材料和工藝，能夠在極端的溫度和電磁環境下正常工作。而且，為了減輕飛機的重量，航空航天領域的功率模塊封裝也在不斷朝著小型化、輕量化的方向發展，同時保證其高性能和高可靠性。

2. 衛星電源系統

• 在衛星電源系統中，功率模塊封裝是保證衛星正常運行的關鍵因素之一。衛星在太空中面臨著復雜的環境條件，如宇宙射線、溫度波動等。功率模塊封裝需要采用高可靠性的材料和

功率模塊清洗：

合明科技研發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。

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境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，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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