功率模块封装工艺概述

功率模块封装技术是一种将电力电子器件、驱动电路、保护电路等集成在一个封装体内的技术，是功率电子系统的重要组成部分，对系统的高效能量转换、精确控制、可靠性提升等有着关键意义。

一、功率模块封装工艺介绍

（一）封装类型

根据封装材料不同，功率模块封装技术可分为塑料封装、陶瓷封装和金属封装等。不同封装类型具有不同的优缺点，应根据具体应用场景进行选择。例如：

• 塑料封装：具有轻质、易加工和低成本的特点，但导热性较差。常用于对成本较为敏感、对散热要求不是极高的中低功率模块封装场景，像一些消费类电子产品中的功率模块可能会采用塑料封装。

• 陶瓷封装：陶瓷具有高导热性和耐热性，但成本较高。适用于对散热和耐热性要求较高的场景，如高压、大功率模块封装。在一些工业级或者对性能要求苛刻的功率模块中会被使用，因为其能够在高温、高电压等恶劣条件下保持较好的性能。

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• 金属封装：具有优良的导热性和机械强度，但重量较大。在需要良好散热性能和较高机械稳定性的高功率、高热量的功率模块中较为适用，例如在某些大型电力设备中的功率模块可能会采用金属封装。

（二）常见封装形式

1. DIP封装（双列直插式封装）

• 这是一种常见的功率模块封装类型，具有简单易用、成本低廉的优点。其功率模块插针直接插入印刷电路板（PCB）的通孔中，实现电气连接。然而，随着技术的发展，DIP封装逐渐暴露出占用空间较大、热性能较差等缺点。在一些对空间和散热要求不高、对成本比较敏感的传统电子设备中仍可能会使用到这种封装形式，比如早期的一些简单电子仪器中的功率模块。

2. SOP封装（小外形封装）

• 比DIP封装更加紧凑，节省空间。引脚数目一般较多，适用于需要更多引脚的功率模块。不过，这种封装类型的功率模块在焊接过程中需要注意热应力和机械应力。在一些对空间有一定要求，引脚需求较多的功率模块应用场景中较为常见，如部分小型化的电子设备中的功率模块封装。

3. QFN封装（无引脚封装）

• 具有体积小、散热性能好等优点。其功率模块直接与PCB焊接，提高了电气连接的可靠性。但在高温、高湿度等恶劣环境下，QFN封装的可靠性需要进一步验证。在一些对体积和散热有要求，工作环境相对较好的功率模块应用场景中使用，比如部分便携式电子设备中的功率模块封装。

4. TO封装（通孔封装）

• 适用于高功率、高热量的功率模块，具有较好的散热性能和机械稳定性。随着技术的发展，TO封装也逐渐暴露出引脚数目有限、占用空间较大等缺点。在一些高功率的传统电子设备，如部分功率较大的电源模块中可能会采用这种封装形式。

5. WLCSP封装（晶圆级芯片尺寸封装）

• 具有超小尺寸、超薄厚度等优点。其功率模块可以直接与电路板连接，无需使用外部连接器。不过，这种封装类型对技术和生产要求较高，需要专业的生产设备和技术人员。在对尺寸要求极小、对性能要求较高的高端电子设备中的功率模块可能会采用这种封装形式，如一些高端智能手机中的功率模块封装。

6. SIP封装（单列直插式封装）

• 具有简单易用、成本低廉的优点。适用于小电流、低功率的应用场景。随着技术的发展，SIP封装逐渐被更先进的封装类型所取代。在一些简单的小功率电子设备中可能还会使用到这种封装形式，比如小型的传感器中的功率模块封装。

二、功率模块封装工艺特点

（一）集成化

功率模块封装能够将多个电力电子器件、驱动电路、保护电路等集成在一起。例如在智能功率模块（IPM）中，以IGBT为内核，内部集成了实时检测电路，能够连续检测IGBT电流和温度，确保在过载、短路或过热等异常情况下能够实现软关断，并发出故障信号，从而保护系统免受损坏。这种集成化设计使功率模块具有高效、可靠、紧凑的特点，能够满足功率电子系统对高效能量转换和精确控制的需求，减少了系统的复杂性，降低了成本，并且提高了系统的可靠性。

（二）对散热要求高

功率模块在工作过程中会产生大量热量，因此散热是其封装工艺的一个关键特点。不同的封装材料和结构对散热性能有着重要影响。例如陶瓷封装材料具有高导热性和耐热性，在散热要求较高的场景下更具优势。在封装工艺中，还会采用一些散热设计，如在基板表面设计散热肋片或微流道结构，增加散热面积，提高散热效率；双面散热技术通过在芯片上下表面同时设置散热路径，实现双面散热，这种技术可以显著降低芯片的结温，提高模块的可靠性和使用寿命；液冷散热技术通过在模块内部设置冷却通道，利用冷却液带走芯片产生的热量，不过这种技术成本较高，且对密封性和冷却液的选择有较高要求。

（三）电气性能关键

封装工艺需要确保良好的电气连接和绝缘性能。芯片互连技术是功率模块封装中的核心环节之一，它直接关系到模块的电气性能和热性能。目前，主流的芯片互连技术包括引线键合、倒装芯片（Flip - Chip）、烧结银互连等。例如，传统的引线键合技术通过金线或铝线将芯片与引线架连接，虽然技术成熟、成本低，但存在寄生电感大、散热效果差等缺点；而倒装芯片技术通过将芯片直接焊接在封装基板上，实现了芯片与基板之间的直接电气连接，大大缩短了电流回路，降低了寄生电感，提高了散热性能，同时便于实现多芯片集成，提高模块的功率密度；烧结银互连技术利用银的高导热性和良好的电气性能，通过高温烧结将银膏填充在芯片与基板之间的缝隙中，形成可靠的电气连接和散热通道，这种技术具有耐高温、高导热、低电阻等优点，在高端功率模块中得到广泛应用。

（四）多种材料应用

封装过程中会使用到多种材料，包括陶瓷、金属、塑料等。这些材料各自具有独特的性能特点，需要根据具体的功率模块需求进行选择。陶瓷材料具有高绝缘性、耐高温、尺寸稳定等优点，广泛应用于高压、大功率模块封装；金属材料具有良好的导热性、导电性和机械强度，常用于封装散热要求较高的模块；塑料材料成本低、工艺简单，适用于中低功率模块封装。随着新材料技术的不断发展，一些新型的封装材料如碳纳米管和石墨烯等也逐渐得到应用，这些材料具有优异的导热性能和机械性能，有望进一步提高功率模块的散热性能和可靠性。

三、功率模块封装工艺步骤

（一）前道工序

1. 晶圆减薄（磨片）

• 封装前，需对硅片背面进行减薄处理，使其变薄变轻，以满足封装工艺要求。在这个过程中，会在硅片表面贴一层保护膜，以防止磨片过程中电路受损。例如在一些高精度的功率模块制造中，晶圆减薄可以使芯片在封装后具有更合适的厚度，便于后续的装配和散热等操作。

2. 晶圆切割（划片）

• 将减薄后的硅片通过精密划片机切割成单个芯片，并进行质量检测，确保每片芯片均符合标准。这一步骤是将晶圆上的多个芯片分离出来，为后续的装片等工序做准备。如果切割不准确或者芯片质量检测不严格，可能会导致封装后的功率模块出现性能问题，如芯片之间的短路或者断路等。

3. 装片（Die Attaching）

• 将合格的芯片粘贴到引线架或封装衬底上，为后续的键合做准备。这一步骤中，选择合适的粘结材料（如导热胶、导电银浆等）至关重要，它直接影响到芯片的散热性能和电气连接质量。例如，如果使用的导热胶导热性能不佳，可能会导致芯片在工作过程中热量无法及时散发出去，从而影响功率模块的性能和可靠性。

4. 键合（Wire Bonding）

• 使用金线或铝线将芯片上的引线孔与引线架上的引脚连接，实现芯片与外部电路的电学连接。键合工艺要求精度高、可靠性好，以确保电流和信号的稳定传输。这是芯片与外部电路建立电气连接的关键步骤，如果键合不牢固或者出现键合错误，可能会导致信号传输中断或者电气性能不稳定等问题。

（二）后道工序

1. 塑封（Molding）

• 采用环氧树脂等材料对芯片进行包封，以保护其免受外力损坏，并加强器件的物理特性。塑封后进行固化处理，确保材料具有足够的硬度和强度。塑封可以防止芯片受到外界的物理冲击、灰尘、水分等的影响，保证芯片的正常工作环境。但是，如果塑封材料选择不当或者塑封工艺存在问题，可能会导致芯片出现散热不良或者内部应力过大等问题。

2. 电镀（Plating）

• 为防止引线架生锈或受污染，需进行电镀处理。电镀可以在引线架表面形成一层保护膜，提高其抗腐蚀性能，从而延长功率模块的使用寿命。例如，常见的电镀材料有镍、金等，不同的电镀材料具有不同的性能特点，可以根据具体的需求进行选择。

3. 切筋/打弯（Trimming/Forming）

• 去除引脚根部多余的塑膜，并将引脚打弯成所需形状，便于安装和使用。这一步骤可以使功率模块的引脚符合特定的电路板安装要求，确保在安装过程中能够正确地与电路板进行连接。如果切筋/打弯操作不当，可能会导致引脚损坏或者无法正确安装到电路板上。

4. 测试

• 对封装后的功率模块进行各种测试，包括电气性能测试（如测试电流、电压、电阻等参数）、功能测试（检查模块是否能正常实现其功能，如功率转换功能等）、可靠性测试（如高温、低温、湿度等环境下的测试）等。通过测试可以筛选出不合格的产品，保证出厂的功率模块具有良好的性能和可靠性。例如，在高温测试中，可以检测功率模块在高温环境下的散热性能和电气性能是否稳定，如果出现问题则需要对封装工艺进行改进。

5. 包装

• 将测试合格的功率模块进行包装，以便运输和储存。包装需要考虑到防止功率模块在运输和储存过程中受到机械振动、静电、潮湿等因素的影响。合适的包装可以保证功率模块在到达用户手中时仍然保持良好的性能和可靠性。

四、功率模块封装工艺优劣分析

（一）优势

1. 提高性能和可靠性

• 通过集成化的封装，将多个相关的电路和器件集成在一起，可以减少外部连接的数量，从而降低了因连接点过多而可能出现的故障风险。例如，智能功率模块内部集成了各种保护电路，能够及时对异常情况进行处理，提高了整个功率模块的可靠性。同时，合理的封装设计和工艺可以优化电气性能，如降低寄生电感等，提高功率模块的工作效率和稳定性。

2. 优化散热

• 针对功率模块工作时产生大量热量的问题，封装工艺中的散热设计和采用的高导热性材料（如陶瓷、金属等）能够有效地将热量散发出去。例如，双面散热技术和在基板上设计散热肋片等散热方式，可以降低芯片的温度，保证功率模块在高功率工作状态下的正常运行，延长其使用寿命。

3. 节省空间和成本

• 集成化的封装使得功率模块的体积更小，在一些对空间要求较高的电子设备中（如智能手机、平板电脑等），可以节省宝贵的电路板空间。而且，从成本角度来看，虽然一些高性能的封装材料和工艺可能会增加部分成本，但由于减少了系统的复杂性、提高了生产效率和产品的良品率，总体上可以降低成本。例如，采用大规模生产的封装工艺可以降低单个功率模块的生产成本，并且通过集成多个功能电路，减少了额外的电路板和元件成本。

（二）劣势

1. 散热挑战依然存在

• 尽管有各种散热措施，但随着功率模块功率密度的不断提高，散热仍然是一个巨大的挑战。例如，在一些高功率密度的应用场景下，如电动汽车的动力系统中的功率模块，现有的散热技术可能无法完全满足其散热需求，导致芯片温度过高，影响功率模块的性能和寿命。而且，一些散热技术（如液冷散热）虽然散热效率高，但成本较高，并且存在冷却液泄漏等风险。

2. 电气性能受工艺影响大

• 封装工艺中的芯片互连技术等环节如果出现问题，如引线键合的寄生电感问题、倒装芯片焊接的质量问题等，会对功率模块的电气性能产生严重影响。而且，在一些复杂的封装结构中，如多层布线、多芯片封装时，要保证良好的电气绝缘和信号传输是比较困难的，容易出现信号干扰、短路等问题。

3. 对材料和工艺要求高

• 为了实现良好的性能，功率模块封装需要使用高性能的材料（如高导热、高绝缘的材料），这些材料往往成本较高或者加工难度较大。同时，一些先进的封装工艺（如3D封装）需要高精度的设备和严格的工艺控制，这对生产企业的技术水平和设备投入要求较高。例如，3D封装结构中芯片的垂直互连需要精确的对准和连接技术，如果工艺控制不好，很容易导致封装失败或者性能下降。

五、功率模块封装工艺应用案例

（一）新能源汽车领域

1. 电机控制

• 在新能源汽车的电机控制系统中，功率模块封装起着至关重要的作用。例如，采用高性能的功率模块封装技术可以精确控制电机的运行，提高车辆的能效和性能。由于新能源汽车的电机功率较大，工作时会产生大量热量，所以需要采用散热性能良好的封装工艺和材料。同时，为了保证电机控制的准确性和可靠性，封装工艺需要确保良好的电气连接和信号传输。像一些采用SiC功率模块的新能源汽车，其封装技术能够适应高电压、高温度的工作环境，提高了整个电机控制系统的效率和可靠性。

2. 电池管理系统

• 功率模块封装在新能源汽车的电池管理系统中也有应用。电池管理系统需要对电池的充放电进行精确控制，以保证电池的安全和使用寿命。功率模块封装技术可以将相关的电路（如充电控制电路、放电保护电路等）集成在一起，提高系统的集成度和可靠性。而且，由于电池管理系统需要在不同的温度和环境条件下工作，封装工艺需要考虑到散热、防潮、抗电磁干扰等因素。例如，采用具有良好电磁兼容性设计的功率模块封装，可以减少电池管理系统在工作过程中对其他电子设备的电磁干扰，同时也提高了自身的抗干扰能力。

（二）电力传输领域

1. 变电站设备

• 在变电站的设备中，如变压器、整流器等，功率模块封装技术被广泛应用。对于高功率的变电站设备，功率模块需要能够承受高电压、大电流的工作条件。采用合适的封装工艺（如陶瓷封装等具有高绝缘性和高耐热性的封装方式）可以保证功率模块在这些恶劣条件下的正常工作。同时，为了提高电力传输的效率，封装工艺也需要优化电气性能，减少能量损耗。例如，通过采用低寄生电感的芯片互连技术，可以提高功率模块的转换效率，降低在电力传输过程中的能量损失。

2. 高压直流输电（HVDC）系统

• 在高压直流输电系统中，功率模块封装技术同样重要。由于HVDC系统工作在高电压、大电流的状态下，对功率模块的绝缘性能、散热性能和电气性能要求极高。封装工艺需要采用高性能的材料和先进的技术来满足这些要求。例如，在一些HVDC换流站中的功率模块采用了特殊的封装结构，能够在高电压环境下保证良好的绝缘性能，并且通过高效的散热设计，保证功率模块在长时间高功率运行下的稳定性。同时，为了提高系统的可靠性，功率模块封装还集成了各种保护电路，如过流保护、过压保护等电路。

（三）航空航天领域

1. 航空电子设备

• 在航空电子设备中，功率模块封装需要满足严格的要求。由于航空航天环境的特殊性，如高海拔、温度变化大、强电磁辐射等，功率模块封装必须具有高可靠性、高抗干扰能力和良好的散热性能。例如，在飞机的飞行控制系统中的功率模块，采用了特殊的封装材料和工艺，能够在极端的温度和电磁环境下正常工作。而且，为了减轻飞机的重量，航空航天领域的功率模块封装也在不断朝着小型化、轻量化的方向发展，同时保证其高性能和高可靠性。

2. 卫星电源系统

• 在卫星电源系统中，功率模块封装是保证卫星正常运行的关键因素之一。卫星在太空中面临着复杂的环境条件，如宇宙射线、温度波动等。功率模块封装需要采用高可靠性的材料和

功率模块清洗：

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。

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。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

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