新能源车用IGBT模块封装技术概述

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由双极结型晶体管（BJT）和金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）复合而成的结构，具有BJT大电流增益和MOS压控易于驱动等优势，是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，广泛应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。在新能源汽车中，IGBT模块封装技术扮演着重要的角色，不仅影响新能源汽车的性能和质量，还影响到新能源汽车的实际应用和使用成本。它是在集成半导体分立器件的基础上，在模块内部完成封装，并实现多种功能，包括机械支撑、散热通路、外部环境保护等。IGBT模块内部通常包含半导体芯片、散热基板、键合线、功率引出端子、焊接层以及封装管壳等多层结构材料。为提高电流承载能力，满足汽车的能源需求，半导体芯片往往以并联形式连接，并基于引线键合的方式在芯片上表面实现电气互连，基于焊接的方式使芯片下表面与绝缘陶瓷衬板相连。

常见的新能源车用IGBT模块封装技术

焊接技术

软钎焊技术

软钎焊接技术主要利用真空回流焊/真空共晶炉连接各种电气元件，如半导体芯片、陶瓷衬板和基板等。在软钎焊接过程中，常用的焊料包括AnSn、SnPb、PbSnAg等，焊料常用焊膏或焊片的形式。使用焊膏焊接时，需要加入助焊剂，并在焊接完成后进行清洗处理，但这种方式容易受到潮湿环境的影响。相比之下，使用焊片焊接通常无需助焊剂，焊接完成后也不需要清洗，焊层更均匀，但这种方法所需的焊接设备较为复杂，焊接时需要使用特制的夹具来定位焊片和焊接件。现阶段软钎焊接技术的发展趋于成熟稳定，在IGBT模块封装的应用较为广泛。

低温连接技术

SiC模块出现后，对焊接技术的要求更加严格了，因此需要更加有效地提高焊接工艺可靠性，所以出现了低温连接技术。低温焊接技术代表为银烧结工艺，由于银的熔点在900℃以上，针对银烧结层时工作温度最高可以控制在700℃左右。与普通软钎焊层相比，银烧结层的厚度更薄，仅为普通焊层的50% - 80%左右，且具有5倍左右的高电导率、高热导率，所以银烧结层同时具有良好的功率循环能力和温度循环能力。但由于实施难度较大，工艺参数难以摸索，且设备、银粉成本较高，因此总的来说低温连接技术并不如软钎焊技术应用广泛。

键合技术

IGBT模块内部存在许多并联连接的芯片，其上方发射极与二极管芯片阳极连接，两者连接方式以引线键合为主。半导体芯片、绝缘衬板以及个别功率端子的连接也采用键合线的形式，并通过引线键合作用形成完整的电路结构。键合线种类众多，有铜线、铝线、铜包铝线等等。由于成本较低的原因，铝线键合工艺的应用较为广泛，但是铝本身的热学特性、导电性能较差，在热碰撞性能上，铝线难以与半导体芯片相匹配，会出现热应力聚集，可能导致键合线开裂和IGBT模块失效。虽然可以通过优化键合线形状、完善键合工艺参数等方式来提高IGBT模块的可靠性，但提升效果也有限，难以满足部分高功率新能源汽车的电驱动系统的要求。与之相比，铜线的力学特性、热学特性、电学特性均优于铝线，用铜线进行键合，可靠性更高。特别是在功率密度、散热效率较高的功率模块上采用铜线键合时，能有效提升功率循环能力。但是铜线无法与铝金属化层为基础的半导体芯片良好匹配，往往需要运用电镀、气相沉积等方式对铜金属化处理，使半导体芯片表面适应铜线键合，这也加大了工艺的复杂性。铜的硬度和杨氏模量相较于铝都更大（注：杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，又称拉伸模量，是弹性模量中最常见的一种），为了保证键合的效果，对超声能量的要求更高，这难免会损伤超薄型的IGBT芯片，甚至可能导致芯片内部结构被损坏，因此铜线键合仍然具有一定的技术壁垒。

新能源车用IGBT模块先进封装技术

目前虽然没有明确提及专门针对新能源车用IGBT模块的独特先进封装技术，但从整体发展趋势来看，一些技术的发展方向体现了先进性。例如在焊接方面，对传统的软钎焊技术不断进行优化改进，提高其在不同工作环境下的稳定性和可靠性。同时对于低温连接技术中的银烧结工艺，随着研究的深入，可能会逐步克服其实施难度大、成本高的问题，从而成为更具优势的先进封装技术。在键合技术方面，为了克服铜线键合与铝金属化层半导体芯片匹配困难的问题，相关研究可能会致力于开发新的表面处理技术或者改进现有的电镀、气相沉积技术，使得铜线键合能更广泛、更高效地应用于新能源车用IGBT模块封装。另外，随着智能化的发展趋势，未来可能会出现集成智能传感器等功能的IGBT模块封装技术，能够实时监测模块的工作状态如温度、电流等，从而提高整个新能源汽车电驱系统的可靠性和安全性。并且，为了适应碳化硅（SiC）等新型材料在IGBT模块中的应用，针对其特殊的物理化学性质研发的封装技术也将是先进封装技术的发展方向之一。例如碳化硅的高导热性、高击穿电场等特性，需要与之相匹配的封装技术来充分发挥其优势，像开发特殊的散热结构和电气连接方式等，这对于提升新能源车用IGBT模块的性能将有着重要意义。

新能源车用IGBT模块封装技术的发展趋势

追求更高的功率密度

随着新能源汽车的发展，对IGBT模块的功率密度要求越来越高。这就要求在封装技术上不断创新，例如采用更紧凑的芯片布局、优化电气连接结构等方式，来提高单位体积内的功率输出能力。从目前的技术发展来看，芯片的尺寸在逐渐缩小，同时多个芯片的集成度不断提高，通过合理的布局和连接，可以在不增加模块体积的情况下提升功率密度。这不仅有助于提升新能源汽车的动力性能，还能够减小模块的占用空间，为汽车的整体设计提供更多的灵活性。

提高散热效率

在新能源汽车运行过程中，IGBT模块会产生大量的热量，如果散热不及时，会影响模块的性能和使用寿命。因此，未来的封装技术将更加注重散热效率的提升。一方面，通过改进散热基板的材料和结构，如采用高导热率的陶瓷材料或者金属复合材料，增加散热通道等；另一方面，优化封装结构与散热系统的集成方式，使热量能够更快速地散发出去。例如，采用特殊的散热鳍片设计或者开发新型的散热界面材料，降低热阻，提高热量传导效率，从而保证IGBT模块在高温环境下也能稳定工作。

增强可靠性

新能源汽车的使用环境复杂多变，IGBT模块需要具备高可靠性才能满足汽车的要求。这就要求封装技术在抗震、抗腐蚀、抗温度变化等方面不断改进。在抗震方面，通过优化封装结构和材料，提高模块的机械强度，防止在汽车行驶过程中的颠簸震动对模块造成损坏；在抗腐蚀方面，选择合适的封装材料和防护涂层，抵御外界环境中的化学物质腐蚀；在抗温度变化方面，研发能够适应极热极冷环境的封装技术，确保模块在不同温度条件下都能正常工作。同时，还需要提高封装工艺的一致性和稳定性，减少因工艺波动导致的模块性能差异和故障风险。

降低成本

成本是新能源汽车产业发展的一个重要因素。在IGBT模块封装技术方面，降低成本的途径主要包括提高生产效率、减少原材料浪费、降低工艺复杂度等。例如，通过自动化生产设备和先进的生产工艺，提高封装的生产效率，降低人工成本；优化焊接和键合工艺，减少因工艺失败导致的原材料浪费；开发更简单、更经济的封装结构和材料，在不影响性能的前提下降低成本。这样可以提高新能源汽车的市场竞争力，推动新能源汽车的普及和发展。

不同品牌新能源车IGBT模块封装技术对比

目前不同品牌的新能源车在IGBT模块封装技术上存在一定的差异。例如，英飞凌作为知名的半导体供应商，其车规级功率模块HybridPACK™ Drive采用了特定的封装形式。在一些对比研究中，英飞凌的IGBT模块封装技术可能在功率密度、散热效率或者可靠性等方面具有独特的优势。像在与基于1200V CoolSiC™碳化硅MOSFET技术对比时，在能耗等方面表现出不同的性能特点，其IGBT模块封装技术可能是影响这些性能差异的因素之一。然而，由于各品牌的技术研发方向、成本控制策略以及与整车的匹配要求等因素不同，导致在IGBT模块封装技术上各有侧重。一些新兴的新能源汽车品牌可能会更倾向于采用成本较低的封装技术解决方案，在满足基本性能要求的前提下降低整车成本；而一些高端品牌则可能会追求更先进、更高性能的封装技术，以提升车辆的动力性能、续航里程和可靠性等。同时，不同品牌也会根据自身的供应链情况选择不同的IGBT模块供应商，这些供应商的封装技术水平也会对品牌车辆的性能产生影响。但由于各品牌对于自身IGBT模块封装技术的细节往往视为商业机密，很难获取到全面准确的对比信息，这也给深入的技术对比带来了一定的困难。

IGBT芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

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