功率半导体模块的创新与发展之路

011. 功率半导体的发展与现状

新一代功率半导体电子元件模块自20世纪80年代诞生以来，经历了90年代的持续革新与升级。借助新技术的发展，IGBT模块已演变为一款兼具多种优异特性的电子器件。其通态压降低、开关速度快、高电压低损耗以及出色的大电流热稳定性等特点，使得IGBT模块成功取代旧式双极管，成为电路制造中不可或缺的重要电子器件。

近些年，电动汽车市场的迅猛发展推动了功率模块封装技术的持续进步。当前，电动汽车主逆变器所采用的功率半导体技术，已然成为中等功率模块领域的佼佼者。该技术不仅要求高可靠性、高功率密度，还必须具备成本竞争优势。

022. 功率器件封装的演进

2.1 ▲ 传统与创新封装结构

在功率器件模块封装结构的演变历程中，IGBT作为电力电子的核心器件，其可靠性对于整个装置的安全运行至关重要。IGBT所采用的叠层封装技术，不仅显著提高了封装密度，还缩短了芯片间导线的互连长度，从而提升了器件的运行速度。然而，传统Si基功率模块封装面临寄生参数过高和散热效率不佳的问题。针对这些问题，SiC功率模块封装在结构上进行了创新，采用了无引线互连和双面散热技术，同时选用导热性能更佳的衬底材料，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，从而研发出多种先进的模块封装技术。

2.2 ▲ 直接导线键合（DLB）与SKiN结构

其中，直接导线键合结构（DLB）以其独特优势脱颖而出。该结构通过焊料将铜导线与芯片表面直接相连，有效降低了寄生电感。同时，由于铜导线与芯片表面的互连面积大，也大大提高了互连的可靠性。三菱公司采用此结构开发的IGBT模块，相较于传统的引线键合模块，其内部电感降低了57%，内部引线电阻也减小了一半。

SKiN模块结构同样是一种无引线键合的创新设计。它巧妙地运用了双层柔软的印刷线路板，不仅实现了MOSFET的连接，还同时承担了电流通路的角色。这种结构优化了内部布局，进一步提升了模块的性能。

2.3 ▲ 2.5D和3D封装设计

为了进一步减小寄生效应，研究者们开发了2.5D和3D模块封装结构，这些结构采用多层衬底，特别适用于功率芯片之间的互连，或与驱动电路的互连。在2.5D设计中，多个功率芯片被集成在同一块衬底上，并通过新增的一层转接板中的金属连线进行芯片间的连接。由于转接板需与功率芯片紧密相邻，因此需采用耐高温材料，如低温共烧陶瓷（LTCC）转接板，常被应用于此类结构中。以下是一种典型的2.5D模块封装结构示意图。

在3D模块封装结构中，功率芯片或功率芯片与驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连。紧压工艺（Press-Pack）是其中一种实现方式，它采用直接接触的方法，避免了引线键合或焊接的复杂步骤。这种结构包含三层导电导热的平板，平板间巧妙地放置了功率芯片。平板的尺寸需根据互连的芯片尺寸和芯片表面版图结构来精心设计，以确保高效互连。整个3D模块封装结构的厚度通常控制在5mm以内，进一步优化了空间利用率。

033. IGBT模块的封装工艺

3.1 ▲ 工艺流程概述

将锡膏按照预定的图案印刷在散热底板和DBC铜板的表面上，为后续的自动贴片工艺做好充分准备。同时，我们也要关注印刷的效果，确保其质量符合要求。

自动贴片将IGBT芯片与FRED芯片精准地贴装在DBC铜板的锡膏印刷表面上，为后续工艺流程奠定坚实基础。接着，进行真空回流焊接，将贴片完成的DBC半成品放入真空炉中，进行回流焊接工艺。超声波清洗则用于确保IGBT芯片表面的洁净度符合后续键合打线的标准。之后，通过X-RAY缺陷检测对DBC半成品进行细致的缺陷筛查，以确保空洞尺寸严格符合标准。

利用键合打线技术将IGBT芯片或DBC之间进行紧密连接，构建出健全的电路体系。激光打标技术用于在模块壳体表面精确打标，清晰标示产品型号、生产日期等关键信息。完成这些步骤后，进行壳体塑封、功率端子键合、壳体灌胶与固化，最终进行封装与端子成形。经过高低温冲击检验和老化检验后，对成形产品进行全面的IGBT静态参数和动态参数测试，以确保其达到出厂标准。

3.2 ▲ 封装技术的关键性

功率半导体模块的封装是整个加工流程中的核心环节。它不仅影响着功率半导体器件能否实现更高的功率密度，还关乎器件能否在高温环境下稳定工作、是否具备高可用性和高可靠性，以及能否更好地适应各种恶劣的工作环境。封装技术的设计需紧凑且可靠，同时确保输出功率最大化。关键在于优化硅片与散热器之间的热阻，以及降低模块输入输出接线端子间的接触阻抗。