新能源车用IGBT模块封装技术的现状

一、IGBT模块在新能源汽车中的关键地位

在新能源汽车中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块是极为关键的元件之一。例如在电机控制系统、电池管理系统、电动空调控制系统、充电系统等都有广泛应用。在主逆变器中，IGBT将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；在车载充电机中，参与220V交流电转换为直流并为高压电池充电。其成本占据电机控制器成本的40%左右，占新能源汽车整车成本的10%左右，占充电桩成本20%左右 。

二、封装技术的主要工艺及难点

IGBT封装从芯片来料到封装完成主要经过丝网印刷 - 自动贴片 - 真空回流焊接 - 超声波清洗 - 缺陷检测（X光） - 自动引线键合 - 激光打标 - 壳体塑封 - 功率端子键合 - 壳体灌胶与固化 - 端子成形 - 功能测试等工艺。每一个工艺环节相较于其他的工艺技术，其技术难度系数都是相当高的。由于汽车工作环境恶劣，可能面临强振动、高温、高湿等极端条件，对于车规级IGBT而言，在温度冲击、温度循环、功率循环、耐温性能等要求标准远高于工业级和消费级。汽车级IGBT模块的使用时间要求需要达到15年，所以在封装过程中，模块对产品的可靠性和质量稳定性要求非常高。高可靠性设计需要考虑材料匹配、高效散热、低寄生参数、高集成度等因素。封装工艺控制还包括低空洞率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等环节 。

三、当前的技术格局

从全球范围来看，目前差不多70%的车规级IGBT市场份额都被欧、美、日等国瓜分，国内的IGBT设计及制造能力发展参差不齐，但也有不少企业在不断进行技术创新并寻求突破。例如比亚迪研发出的全新车规级产品IGBT4.0，其芯片损耗、模块温度循环能力、电流输出能力等关键指标，达到了全球领先水平 。

IGBT模块封装技术的发展历程

一、早期的IGBT模块封装技术

IGBT模块诞生于20世纪80年代，并在90年代进行新一轮的改革升级。早期的IGBT模块采用传统的封装方式，如引线键合和单边散热技术，这种传统Si基功率模块封装存在寄生参数过高、散热效率差的问题。传统的封装主要是为了满足当时的基本功能需求，对于功率密度、散热等方面的考虑相对较少，并且对于在汽车等特殊环境下工作的可靠性要求也没有如今这么高 。

二、技术改进的推动因素

随着技术的发展和应用场景的变化，特别是电动汽车的蓬勃发展，对IGBT模块提出了更高的要求。例如，在电动汽车中，IGBT需要频繁地进行高电压、高电流的转换，这就要求IGBT模块具有更高的可靠性和更好的散热性能。此外，新能源汽车在功率密度、驱动效率方面的要求不断提高，也促使IGBT模块封装技术不断改进。

三、关键技术发展阶段

1. 叠层封装技术的出现：这种技术不但提高了封装密度，同时也缩短了芯片之间导线的互连长度，从而提高了器件的运行速率。

2. 无引线互连和双面散热技术的应用：SiC功率模块封装在结构上采用了无引线互连（wirelessinterconnection）和双面散热（double - sidecooling）技术，解决了传统封装中寄生参数过高和散热效率差的问题。同时，选用了导热系数更好的衬底材料，并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等，研发出了多种不同的模块封装技术。

3. 2.5D和3D模块封装结构的发展：为进一步降低寄生效应，使用多层衬底的2.5D和3D模块封装结构被开发出来用于功率芯片之间或者功率芯片与驱动电路之间的互连。在2.5D结构中，不同的功率芯片被焊接在同一块衬底上，而芯片间的互连通过增加的一层转接板中的金属连线实现；在3D模块封装结构中，两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连。这些结构有助于提高模块的性能和集成度 。

新能源车用IGBT模块封装技术的创新方向

一、材料创新

1. 新型互连材料的探索

• 在IGBT模块封装中，传统的互连材料可能存在一些局限性。例如，在键合技术方面，铝线键合工艺虽然成本较低，但铝本身的热学特性、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。而铜线的力学特性、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。然而，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。

• 除了金属线的创新，在焊接材料方面也有改进的空间。例如银烧结工艺这种低温连接技术，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，不过由于实施难度较大，工艺参数难以摸索，且设备、银粉成本较高，应用还不够广泛 。

2. 封装材料的改进

• 在封装材料方面，传统的硅胶灌封方式在新能源车用电网电力风电方面（1200V以上领域）存在不足之处，例如在连续高温200度环境下工作时，性能变差，底部会产生VOLD，铝线形变，器件容易击穿烧毁。而高耐热、低热膨胀低收缩性液态环氧有取代硅胶灌封的趋势，日本的一些超级IGBT模块大厂（M社/F社）已逐步采用，国内也已有电力方面IGBT模组大公司在进行环氧灌封技术试验（1200V以上领域） 。

二、结构创新

1. 提高集成度的封装结构

• 随着新能源汽车技术的不断发展，对IGBT模块的集成度要求越来越高。例如通过采用三维封装技术，可以在有限的空间内集成更多的IGBT芯片，从而提高模块的功率密度。此外，还可以将传感器等集成到IGBT模块中，实现多功能、集成化的封装设计。这种集成化的结构有助于减少模块的体积，提高系统的整体性能，并且可以降低系统的复杂度和成本。

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2. 改善散热性能的结构设计

• 高效散热是保证IGBT模块稳定工作的关键。为了提高散热效率，一些新的结构设计不断涌现。例如采用双面散热结构，可以使热量从芯片的两面散发出去，提高散热效率。还有采用特殊的散热通道设计，优化散热路径，使热量能够更快地散发出去，降低芯片的温度，从而提高模块的可靠性和使用寿命。

三、工艺创新

1. 焊接工艺的优化

• 在焊接技术方面，软钎焊技术是常用的方法，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。目前，为了提高焊接的可靠性，还在不断优化焊接工艺参数，以降低焊接缺陷，如空洞、枕头缺陷、不润湿开路、枝晶生长、开裂和翘曲等。

2. 键合工艺的提升

• 在键合工艺上，除了探索新的键合材料（如铜线）外，也在不断优化键合工艺参数，例如优化键合线形状等。对于不同的键合材料，如铝线和铜线，需要根据其特性来调整键合工艺。对于铜线键合，由于铜的硬度和杨氏模量相较于铝都更大，为了保证键合的效果，对超声能量的要求更高，需要精确控制超声能量，以避免损伤超薄型的IGBT芯片甚至导致芯片内部结构被损坏。

未来新能源车对IGBT模块封装技术的需求

一、应对恶劣工作环境的高可靠性需求

1. 高可靠性的多方面要求

• 新能源汽车工作环境恶劣，可能面临强振动、高温、高湿等极端条件。因此，IGBT模块封装技术的高可靠性设计需要考虑多个方面。例如，在材料匹配方面，基板材料需要具有良好的热导性和强度，焊料需要具有良好的高低温度循环冲击可靠性，封装结构需要能够有效降低寄生电感等。

• 高可靠性还体现在封装工艺控制上，包括低空洞率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等环节。例如，低空洞率焊接可以提高焊接层的可靠性，降低因焊接缺陷导致的失效风险；ESD防护可以防止静电对模块造成损害；老化筛选能够剔除早期失效的产品，提高产品的整体可靠性。

2. 长寿命的需求

• 新能源车用IGBT模块的使用时间可达15年以上，因此封装技术必须满足长寿命的要求。这需要综合考虑材料的老化、焊接的可靠性、散热性能等因素。例如，采用耐高温、抗老化的封装材料可以延长模块的使用寿命；采用低空洞率焊接/烧结技术可以提高焊接层的可靠性，降低因焊接缺陷导致的失效风险。

二、满足高性能要求的封装技术需求

1. 高效能封装需求

• 新能源车用IGBT模块的高效能封装主要体现在提高电流承载能力、降低导通损耗和开关损耗等方面。为了实现高效能封装，通常采用并联连接的芯片结构，并通过引线键合和焊接技术实现电气互连。同时，采用先进的封装材料和结构，如铜基板、铝基碳化硅（AlSiC）等，可以显著提高模块的散热性能，降低结温，从而提高模块的可靠性和使用寿命。

2. 高集成度需求

• 随着新能源汽车技术的不断发展，对IGBT模块的集成度要求越来越高。例如，汽车的电子系统越来越复杂，需要在有限的空间内集成更多的功能。通过采用三维封装技术，可以在有限的空间内集成更多的IGBT芯片，还可以将传感器等集成到IGBT模块中，实现多功能、集成化的封装设计，提高模块的功率密度，满足汽车对于空间和性能的要求。

新能源车用IGBT模块封装技术的国际发展趋势

一、小型化与轻量化

1. 小型化的技术实现

• 随着新能源汽车对功率密度和续航里程的要求不断提高，IGBT模块的小型化成为必然趋势。通过采用先进的封装材料和结构，如Chip - on - stra（COS）、DirectCopperBonding（DBC）等，可以显著减小模块体积。例如，这些技术可以优化芯片与基板的连接方式，减少不必要的空间占用，提高封装密度，从而实现模块的小型化。

• 小型化的IGBT模块有助于在汽车有限的空间内集成更多的电子元件，提高汽车电子系统的集成度，并且可以降低模块的重量，减少汽车的整体重量，从而有助于提高新能源汽车的续航里程。

2. 轻量化的意义和实现途径

• 轻量化对于新能源汽车来说具有重要意义，它可以降低汽车的能耗，提高能源利用效率。在IGBT模块封装技术方面，除了采用小型化的封装结构外，还可以通过选择轻质的封装材料来实现轻量化。例如，一些新型的高分子材料可能具有较轻的重量和良好的电气性能、热性能，可以在满足模块功能要求的同时减轻模块的重量。

二、高效散热的持续发展

1. 高效散热技术的重要性

• 在IGBT模块工作过程中，会产生大量的热量，如果散热不及时，会导致芯片温度过高，从而影响模块的性能、可靠性和使用寿命。因此，高效散热是保证IGBT模块稳定工作的关键。特别是在高功率密度和高温环境下，模块的散热问题更为突出，提高散热效率成为当前研究的热点之一。

2. 新型散热技术的探索

• 除了传统的散热技术如铝基板、铜基板散热外，一些新型的散热技术也在不断探索中。例如，采用微通道冷却技术，通过在模块内部设计微小的冷却通道，使冷却液能够快速带走热量；还有采用热管散热技术，利用热管的高效热传导性能，将芯片产生的热量迅速传导到散热片上进行散发。此外，一些新型的热界面材料也在研发中，这些材料可以提高芯片与散热基板之间的热传导效率，从而提高整个模块的散热性能。

三、智能化与集成化

1. 智能化趋势的体现

• 在IGBT模块封装技术中，智能化趋势也逐渐显现。例如，可以在封装过程中集成智能传感器，用于实时监测模块的温度、电流、电压等参数，以便及时发现模块的异常情况，提高系统的可靠性。同时，还可以通过智能算法对这些监测数据进行分析，实现对模块的智能控制，如根据温度自动调整模块的工作状态，提高模块的效率和使用寿命。

2. 集成化发展的方向

• 集成化是国际上IGBT模块封装技术的一个重要发展方向。除了前面提到的将多个IGBT芯片集成在一起提高功率密度外，还可以将驱动电路、保护电路等集成到IGBT模块中，实现系统级的集成。这样可以减少外部电路的连接，降低系统的复杂度，提高系统的可靠性和稳定性，并且可以缩小整个系统的体积，满足新能源汽车对于紧凑设计的要求。

IGBT模块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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