新能源車用IGBT模塊封裝技術的現狀

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、電池管理系統、電動空調控制系統、充電系統等都有廣泛應用。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。每一個工藝環節相較于其他的工藝技術，其技術難度系數都是相當高的。由于汽車工作環境惡劣，可能面臨強振動、高溫、高濕等極端條件，對于車規級IGBT而言，在溫度沖擊、溫度循環、功率循環、耐溫性能等要求標準遠高于工業級和消費級。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、老化篩選等環節 。

三、當前的技術格局

從全球范圍來看，目前差不多70%的車規級IGBT市場份額都被歐、美、日等國瓜分，國內的IGBT設計及制造能力發展參差不齊，但也有不少企業在不斷進行技術創新并尋求突破。例如比亞迪研發出的全新車規級產品IGBT4.0，其芯片損耗、模塊溫度循環能力、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模塊采用傳統的封裝方式，如引線鍵合和單邊散熱技術，這種傳統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

隨著技術的發展和應用場景的變化，特別是電動汽車的蓬勃發展，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、關鍵技術發展階段

1. 疊層封裝技術的出現：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；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模塊封裝技術的創新方向

一、材料創新

1. 新型互連材料的探索

• 在IGBT模塊封裝中，傳統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能力和溫度循環能力，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，例如在連續高溫200度環境下工作時，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環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氧灌封技術試驗（1200V以上領域） 。

二、結構創新

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，提高系統的整體性能，并且可以降低系統的復雜度和成本。

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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。例如采用雙面散熱結構，可以使熱量從芯片的兩面散發出去，提高散熱效率。還有采用特殊的散熱通道設計，優化散熱路徑，使熱量能夠更快地散發出去，降低芯片的溫度，從而提高模塊的可靠性和使用壽命。

三、工藝創新

1. 焊接工藝的優化

• 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，也在不斷優化鍵合工藝參數，例如優化鍵合線形狀等。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、老化篩選等環節。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。為了實現高效能封裝，通常采用并聯連接的芯片結構，并通過引線鍵合和焊接技術實現電氣互連。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展，對IGBT模塊的集成度要求越來越高。例如，汽車的電子系統越來越復雜，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展趨勢

一、小型化與輕量化

1. 小型化的技術實現

• 隨著新能源汽車對功率密度和續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航里程。

2. 輕量化的意義和實現途徑

• 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、高效散熱的持續發展

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模塊穩定工作的關鍵。特別是在高功率密度和高溫環境下，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。此外，一些新型的熱界面材料也在研發中，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

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

2. 集成化發展的方向

• 集成化是國際上IGBT模塊封裝技術的一個重要發展方向。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，實現系統級的集成。這樣可以減少外部電路的連接，降低系統的復雜度，提高系統的可靠性和穩定性，并且可以縮小整個系統的體積，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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