新能源車用IGBT模塊封裝技術概述

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由雙極結型晶體管（BJT）和金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管（MOSFET）復合而成的結構，具有BJT大電流增益和MOS壓控易于驅動等優(yōu)勢，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、電動汽車與新能源裝備等領域。在新能源汽車中，IGBT模塊封裝技術扮演著重要的角色，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際應用和使用成本。它是在集成半導體分立器件的基礎上，在模塊內(nèi)部完成封裝，并實現(xiàn)多種功能，包括機械支撐、散熱通路、外部環(huán)境保護等。IGBT模塊內(nèi)部通常包含半導體芯片、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構材料。為提高電流承載能力，滿足汽車的能源需求，半導體芯片往往以并聯(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

焊接技術

軟釬焊技術

軟釬焊接技術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。現(xiàn)階段軟釬焊接技術的發(fā)展趨于成熟穩(wěn)定，在IGBT模塊封裝的應用較為廣泛。

低溫連接技術

SiC模塊出現(xiàn)后，對焊接技術的要求更加嚴格了，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。低溫焊接技術代表為銀燒結工藝，由于銀的熔點在900℃以上，針對銀燒結層時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。但由于實施難度較大，工藝參數(shù)難以摸索，且設備、銀粉成本較高，因此總的來說低溫連接技術并不如軟釬焊技術應用廣泛。

鍵合技術

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。半導體芯片、絕緣襯板以及個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構。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，鋁線鍵合工藝的應用較為廣泛，但是鋁本身的熱學特性、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。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動系統(tǒng)的要求。與之相比，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。但是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。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，對超聲能量的要求更高，這難免會損傷超薄型的IGBT芯片，甚至可能導致芯片內(nèi)部結構被損壞，因此銅線鍵合仍然具有一定的技術壁壘。

新能源車用IGBT模塊先進封裝技術

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

新能源車用IGBT模塊封裝技術的發(fā)展趨勢

追求更高的功率密度

隨著新能源汽車的發(fā)展，對IGBT模塊的功率密度要求越來越高。這就要求在封裝技術上不斷創(chuàng)新，例如采用更緊湊的芯片布局、優(yōu)化電氣連接結構等方式，來提高單位體積內(nèi)的功率輸出能力。從目前的技術發(fā)展來看，芯片的尺寸在逐漸縮小，同時多個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力性能，還能夠減小模塊的占用空間，為汽車的整體設計提供更多的靈活性。

提高散熱效率

在新能源汽車運行過程中，IGBT模塊會產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不及時，會影響模塊的性能和使用壽命。因此，未來的封裝技術將更加注重散熱效率的提升。一方面，通過改進散熱基板的材料和結構，如采用高導熱率的陶瓷材料或者金屬復合材料，增加散熱通道等；另一方面，優(yōu)化封裝結構與散熱系統(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計或者開發(fā)新型的散熱界面材料，降低熱阻，提高熱量傳導效率，從而保證IGBT模塊在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

增強可靠性

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

降低成本

成本是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要因素。在IGBT模塊封裝技術方面，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、降低工藝復雜度等。例如，通過自動化生產(chǎn)設備和先進的生產(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，減少因工藝失敗導致的原材料浪費；開發(fā)更簡單、更經(jīng)濟的封裝結構和材料，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競爭力，推動新能源汽車的普及和發(fā)展。

不同品牌新能源車IGBT模塊封裝技術對比

目前不同品牌的新能源車在IGBT模塊封裝技術上存在一定的差異。例如，英飛凌作為知名的半導體供應商，其車規(guī)級功率模塊HybridPACK? Drive采用了特定的封裝形式。在一些對比研究中，英飛凌的IGBT模塊封裝技術可能在功率密度、散熱效率或者可靠性等方面具有獨特的優(yōu)勢。像在與基于1200V CoolSiC?碳化硅MOSFET技術對比時，在能耗等方面表現(xiàn)出不同的性能特點，其IGBT模塊封裝技術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，導致在IGBT模塊封裝技術上各有側重。一些新興的新能源汽車品牌可能會更傾向于采用成本較低的封裝技術解決方案，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追求更先進、更高性能的封裝技術，以提升車輛的動力性能、續(xù)航里程和可靠性等。同時，不同品牌也會根據(jù)自身的供應鏈情況選擇不同的IGBT模塊供應商，這些供應商的封裝技術水平也會對品牌車輛的性能產(chǎn)生影響。但由于各品牌對于自身IGBT模塊封裝技術的細節(jié)往往視為商業(yè)機密，很難獲取到全面準確的對比信息，這也給深入的技術對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(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、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(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導，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(zhì)量。

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