烧结银在IGBT上的应用

什么是功率半导体？功率半导体包括两个部分：功率器件和功率IC。功率器件是功率半导体分立器件的分支，而功率IC则是将功率半导体分立器件与各种功能的外围电路集成而得来。功率半导体的功能主要是对电能进行转换，对电路进行控制，改变电子装置中的电压和频率，直流或交流等，均具有处理高电压、大电流的能力。

目前主流、使用较多的半导体器件，一是晶闸管，它可以输出较大功率，但频率相对较低，主要用于直流输电和大功率低频电源等；二是IGCT，它是将GTO与门极驱动电路以低感方式集成在一起，这样可以改善关断性能，此器件目前主要用于大功率电机传动，包括船舶驱动、海上风电等；三是IGBT，自上世纪90年代突破技术瓶颈以后，已经实现产业化和大规模应用，当前大功率IGBT最高可实现6500V，其应用方式较广，包括轨道交通、光伏发电、汽车电子等，是当前主流开关器件。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，它的作用是交流电和直流电的转换，同时还承担电压高低转换的功能，可以说是电动车的核心技术之一。IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。IGBT约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。

新能源汽车对IGBT提出非常高的要求，要求其拥有更强大、更高效的功率处理能力，同时也要降低本身过多的电力消耗和不必要的热量产生，以提高整车的性能。主要在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性相关的一些方面提出了更高的标准。

作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT应用非常广泛，如家用电器、电动汽车、铁路、充电基础设施、充电桩，光伏、风能，工业制造、电机驱动，以及储能等领域。

IGBT模块是新一代的功率半导体电子元件模块，诞生于20世纪80年代，并在90年代进行新一轮的改革升级，通过新技术的发展，现在的IGBT模块已经成为集通态压降低、开关速度快、高电压低损耗、大电流热稳定性好等等众多特点于一身，而这些技术特点正式IGBT模块取代旧式双极管成为电路制造中的重要电子器件的主要原因。

近些年，电动汽车的蓬勃发展带动了功率模块封装技术的更新迭代。目前电动汽车主逆变器功率半导体技术，代表着中等功率模块技术的先进水平，高可靠性、高功率密度并且要求成本竞争力是其首先需要满足的要求。




功率器件模块封装结构演进趋势
IGBT作为重要的电力电子的核心器件，其可靠性是决定整个装置安全运行的最重要因素。由于IGBT采取了叠层封装技术，该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。按照封装形式和复杂程度，IGBT产品可以分为裸片DIE、IGBT单管、IGBT模块和IPM模块。



1、裸片DIE：由一片晶圆切割而成的多颗裸片DIE；
2、IGBT单管：由单颗DIE封装而成的IGBT分立器件，电流能力小，适用于家电等领域；
3、IGBT模块：由多颗DIE并联封装而成，功率更大、散热能力更强，适用于新能源汽车、高铁、光伏发电等大功率领域；
4、IPM模块：在IGBT模块外围增加其他功能的智能功率模块（IPM）；



IGBT被称成为“功率半导体皇冠上的明珠”，广泛应用于光伏电力发电、新能源汽车、轨道交通、配网建设、直流输电、工业控制等行业，下游需求市场巨大。IGBT的核心应用产品类型为IGBT模块。IGBT模块的市占率能够达到50%以上，而IPM模块和IGBT单管分别只有28%左右和20%左右。从产品的投资价值来看，由于IGBT模块的价值量最大，有利于企业快速提升产品规模，其投资价值最大。
IGBT 应用领域



实现IGBT国产化，不仅需要研发出一套集芯片设计、晶圆制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等于一体的成熟工艺技术，更需要先进的工艺设备。



随着芯片减薄工艺的发展，对封装提出了更高的要求。封装环节关系到IGBT是否能形成更高的功率密度，能否适用于更高的温度、拥有更高的可用性、可靠性，更好地适应恶劣环境。



IGBT模块封装是将多个IGBT集成封装在一起，以提高IGBT模块的使用命和可靠性，体积更小、效率更高、可靠性更高是市场对IGBT模块的需求趋势。常见的模块封装技术有很多，各生产商的命名也不一样，如英飞凌的62mm封装、TP34、DP70等等。一个IGBT模块的封装需经历贴片、真空焊接、等离子清洗、X-RAY照线光检测、键合、灌胶及固化、成型、测试、打标等等的生产工序。



IGBT封装工艺流程


IGBT模块封装流程简介






  
1、丝网印刷：将锡膏按设定图形印刷于散热底板和DBC铜板表面，为自动贴片做好前期准备 印刷效果；
  

  
2、自动贴片：将IGBT芯片与FRED芯片贴装于DBC印刷锡膏表面；
  

IGBT封装环节包括：丝网印、贴片、键合、功能测试等环节。这其中任何一个看似简单的环节，都需要高水准的封装技术和设备配合完成。
例如贴片环节，将IGBT芯片与FRED芯片贴装于DBC印刷锡膏表面。这个过程需要对IGBT芯片进行取放，要确保贴片良率和效率，就要求以电机为核心的贴片机具有高速、高频、高精力控等特点。



随着新能源汽车行业的高速发展，对高功率、高密度的IGBT模块的需求急速增加，很多汽车厂商都已走上了IGBT自研道路，以满足整车生产需求，不再被上游产业链“卡脖子”。
要生产具有高可靠性的IGBT模块，高精度芯片贴装设备必不可少。

  

  
3、真空回流焊接：将完成贴片的DBC半成品置于真空炉内，进行回流焊接；
  

高质量的焊接技术，才能生产出高可靠性的产品。一般回流焊炉在焊接过程中会残留气体，并在焊点内部形成气泡和空洞。超标的焊接气泡会对焊点可靠性产生负面的影响，包括：
（1） 焊点机械强度下降；
（2） 元器件和PCB电流通路减少；
（3）高频器件的阻抗增加明显；
4. 导热性降低导致元器件过度升温。
真空回流焊接工艺是在回流焊接过程中引入真空环境的一种回流焊接技术，相对于传统的回流焊，真空回流焊在产品进入回流区的后段，制造一个真空环境，大气压力可以降到 5mbar（500pa）以下，并保持一定的时间，从而实现真空与回流焊接的结合，此时焊点仍处于熔融状态，而焊点外部环境则接近真空，由于焊点内外压力差的作用，使得焊点内的气泡很容易从中溢出，焊点空洞率大幅降低。低的空洞率对存在大面积焊盘的功率器件尤其重要，由于高功率器件需要通过这些大面积焊盘来传导电流和热能，所以减少焊点中的空洞，可以从根本上提高器件的导电导热性能。



4、超声波清洗：通过清洗剂对焊接完成后的DBC半成品进行清洗，以保证IGBT芯片表面洁净度满足键合打线要求求。
5、X-RAY缺陷检测：通过X光检测筛选出空洞大小符合标准的半成品，防止不良品流入下一道工序；


6、自动键合：通过键合打线，IGBT芯片打线将各个IGBT芯片或DBC间连结起来，形成完整的电路结构。

半导体键合AOI主要应用于WB段后的检测，可为IGBT生产提供焊料、焊线、焊点、DBC表面、芯片表面、插针等全面的检测。



▲高精度还原线弧

7、激光打标：对IGBT模块壳体表面进行激光打标，标明产品型号、日期等信息；



8、壳体塑封：对壳体进行点胶并加装底板，起到粘合底板的作用；
9、功率端子键合
10、壳体灌胶与固化：对壳体内部进行加注A、B胶并抽真空，高温固化 ，达到绝缘保护作用；
11、封装、端子成形：对产品进行加装顶盖并对端子进行折弯成形；
12、功能测试：对成形后产品进行高低温冲击检验、老化检验后，测试IGBT静态参数、动态参数以符合出厂标准 IGBT 模块成品。


功率半导体模块封装是其加工过程中一个非常关键的环节，它关系到功率半导体器件是否能形成更高的功率密度，能否适用于更高的温度、拥有更高的可用性、可靠性，更好地适应恶劣环境。功率半导体器件的封装技术特点为：设计紧凑可靠、输出功率大。其中的关键是使硅片与散热器之间的热阻达到最小，同样使模块输人输出接线端子之间的接触阻抗最低。



IGBT模块的封装技术难度高，高可靠性设计和封装工艺控制是其技术难点。IGBT模块具有使用时间长的特点，汽车级模块的使用时间可达15年。因此在封装过程中，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。封装工艺控制包括低空洞率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等，生产中一个看似简单的环节往往需要长时间摸索才能熟练掌握，如铝线键合，表面看只需把电路用铝线连接起来，但键合点的选择、键合的力度、时间及键合机的参数设置、键合过程中应用的夹具设计、员工操作方式等等都会影响到产品的质量和成品率。