IGBT模块封装技术与SiC IGBT优势及应用和IGBT封装芯片封装清洗介绍

发布时间：2024-03-22 👁 3222 Tags：碳化硅IGBT模块 IGBT封装芯片 IGBT封装清洗

一、IGBT模块封装技术

在讲解IGBT模块制造环节时，我们先了解IGBT模块的封装部分。

典型功率模块的外观及截面如下图所示，其中上铜层布置功率半导体/二极管芯片/键合线等电气部分，由DBC提供电路布局、绝缘、传热、机械支撑等功能，散热基板向上支撑衬板，向下与散热介质接触。传热路径上主要部件依次为功率芯片、芯片焊料、上铜层、陶瓷、下铜层、DBC焊料与基板。

下图是一款IGBT模块的内部结构，在IGBT模块内部集成了6个IGBT芯片，分别命名为IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。这6个IGBT芯片分为上、下两个半桥臂，其中，IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ并联连接组成上半桥臂，IGBT Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ并联连接组成下半桥臂，两个半桥臂之间串联连接。每个IGBT芯片的两端反并联有1个二极管，用于实现续流。

在解决IGBT封装问题上，大部分精力集中在解决IGBT模块的散热上，毕竟任何功率器件在温度过高的环境下更容易老化失效。

在IGBT的封装结构优化上，主要从两方面进行了考虑，一方面就是封装过程中引线键合方式，俗称绑定(英文Bonding的读音)，另一方面就是芯片的布局方式优化。

在引线键合方式的优化上，绑定落点数量的增加有利于降低芯片金属层中落点周围的电流密度，当新增一个落点后，芯片金属层的最大电流密度降低了20%，这使得功率循环性能提高了4倍。自此，多落点绑定线结构在高电流大面积芯片中广泛采用。

为了有效缓解绑定落点的热应力，多样化的绑定线布局方式可用于降低芯片温度。ABB公司提出了一种多落点绑定线结构，它与传统布线之间的对比如图所示。

根据对IGBT模块芯片不同布局方式进行热力学仿真分析发现，IGBT芯片在不同布局方式下，散热情况存在差异：

因此，国内外学者在电控功率模块封装布局热优化上进行了初步实践。针对多芯片并联结构调整芯片的位置，使其离射极电极位置更近，芯片布置从部分交错式改为水平对齐式，从而使芯片支路电流不均衡度从50%降低到33%。

根据不同产品的设计，布局设计自由度有回路数量、芯片布局范式、DBC尺寸、绑定布线范式、绑定DBC落点位置、开尔文布线、射极电极位置等。

下图是不同公司IGBT模块芯片布局方式：

通过汇总了各模块的封装布局特征，归纳可知绑定线含并排式、交错式、叠层式，多芯片布局含部分交错式、连续交错式、水平对齐式、竖直对齐式等。

其中图(g)(h)采用多芯片布局采用双回路结构。图(d)多芯片间采用了串联式开尔文布线结构。图(g)射极电极设立在芯片1之下。

通过对IGBT芯片布局的优化，可有效降低芯片支电流，降低单芯片发热量，下图是将3片芯片布局方式进行优化后，芯片支路电流的变化。

二、SiC IGBT优势及应用

目前报道的Si IGBT最高耐压是8.4kV，并且已经非常接近Si器件的极限。同时，工作频率和结温也是限制Si IGBT的主要因素之一。

碳化硅(Silicon Carbide,SiC)绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)在超高压电力传输系统等超高压应用领域具有广泛的应用潜力。

下图是碳化硅(SiC) IGBT模块：

SiC于1823年在斯德哥尔摩karolinska大学的化学实验室中被Jons Berzelius教授发现。1987年，美国CREE报导了其制造的6H-SiC单晶，宣布SiC正式进入了一个高速发展的时代，CREE也成为全球第一家制造和销售SiC晶片和器件的公司。

2001年推出第一款商业SiC二极管器件，SiC开关管器件逐渐成熟，SiC结型场效应管(Junction Field Effect Transistor,JFET)、金属氧化层半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的开发逐步从实验室研发阶段进入商业化阶段。JFET器件和MOSFET器件为单极型器件，其开关速度高，主要适用于0.6kV~10kV 的范围，双极结型晶体管(Bipolar Junction transistor,BJT)、绝缘栅双极型晶体管(Insulator Gate Bipolar Transistor,IGBT)、门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor,GTO)为双极型器件，适用于10kV以上高压范围。

2006年发布了世界首款SiC商业化开关器件JFET器件。2008年分别发布了首款SiC BJT器件和常关型的SiC JFET。但MOSFET器件的产品化一直处于空白之中。随着工艺技术的发展尤其是栅氧界面处理技术的成熟，2010年Cree和Rohm推出了平面栅MOSFET产品。

2015年Rohm从原来的平面栅MOSFET切换技术路线成为了双沟槽栅MOSFET，Infineon于2017年发布了沟槽栅MOSFET产品。

下表中列出了几种常见半导体的材料特性，从中可以看出4H-SiC的禁带宽度是Si的约3倍，同一温度下SiC拥有更低的本征载流子浓度；临界电场约10倍，使SiC可以耐受更高的电压；饱和漂移速度约2倍，使SiC器件具有高速、高频的特性优势；热导率约3倍，使SiC器件可以在更高的温度下工作，减小散热系统体积从而减小整机体积。

同时，虽然SiC是化合物半导体材料，但是仍然可以在其上通过热氧化的方法形成二氧化硅(SiO2)层，这对于制造SiC栅控型器件非常有利。以上种种优势使得SiC和氮化镓(GalliumNitride,GaN)、金刚石材料(Diamond)一起被誉为发展前景十分广阔的第三代半导体材料。

得益于SiC优良的材料特性，SiC IGBT在超高压(≥15kV)应用领域具有不可替代的地位，例如电力传输、电力存储、超高压电网接口等超高压电力传输系统，以及舰船全电推进系统中的电能管理系统、全电推动航天器。

目前，SiC IGBT已经成为各国半导体研究工作的重点。

三、IGBT封装芯片封装清洗：

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。

推荐使用水基清洗剂产品。

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