真空回流焊炉/真空焊接炉——新能源汽车的IGBT模块封装技术-电子发烧友网

之前，我们在《真空回流焊炉（真空共晶炉）——IGBT功率器件焊接》一文中，提到了IGBT在很多领域方面都有应用，并且由于新能源的流行，加上新能源汽车对于高电压需求越来越大，IGBT成为了产品发展的焦点。今天我们就来着重探讨一下新能源汽车的IGBT模块封装技术。

图1.电动汽车IGBT示意图

与传统汽车相比，新能源汽车在功率密度、驱动效率方面都具有更高的要求。在运行过程中，如果启动频次过多，流过IGBT模块的电流会急剧增加，从而产生较高的温度；车辆长时间放置后突然启动也会使IGBT模块温度出现变化，从而影响使用寿命；如果行驶路面凹凸不平产生颠簸，还会使IGBT模块受到振动。需要注意的是，如果使用的是永磁同步电机，还可能会发生电机堵转的情况，这也会造成流经IGBT模块的电流急剧增加。因此新能源汽车的IGBT模块封装技术非常具有调战性。

IGBT模块封装是在集成半导体分立器件的基础上，在模块内部完成封装，并实现多种功能，包括机械支撑、散热通路、外部环境保护等。IGBT 模块内部通常包含半导体芯片、散热基板、键合线、功率引出端子、焊接层以及封装管壳等多层结构材料。为提高电流承载能力，满足汽车的能源需求，半导体芯片往往以并联形式连接，并基于引线键合的方式在芯片上表面实现电气互连，基于焊接的方式使芯片下表面与绝缘陶瓷衬板相连。

图2.典型焊接式IGBT模块结构

封装是IGBT生产过程中较为关键的一步，而封装技术的重点在于焊接与键合。

焊接技术
焊接主要分为软钎焊技术和低温连接技术。软钎焊接技术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。现阶段软钎焊接技术的发展趋于成熟稳定，在IGBT模块封装的应用较为广泛。

SiC模块出现后，对焊接技术的要求更加严格了，因此需要更加有效地提高焊接工艺可靠性，所以出现了低温连接技术。低温焊接技术代表为银烧结工艺，由于银的熔点在900℃以上，针对银烧结层时工作温度最高可以控制在700℃左右。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。但由于实施难度较大，工艺参数难以摸索，且设备、银粉成本较高，因此总的来说低温连接技术并不如软钎焊技术应用广泛。

键合技术
介绍完了焊接技术，我们再来探讨下封装技术中的第二个重点——键合。IGBT模块内部存在许多并联连接的芯片，其上方发射极与二极管芯片阳极连接，两者连接方式以引线键合为主。半导体芯片、绝缘衬板以及个别功率端子的连接也采用键合线的形式，并通过引线键合作用形成完整的电路结构。

键合线种类众多，有铜线、铝线、铜包铝线等等。由于成本较低的原因，铝线键合工艺的应用较为广泛，但是铝本身的热学特性、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。虽然可以通过优化键合线形状、完善键合工艺参数等方式来提高IGBT模块的可靠性，但提升效果也有限，难以满足部分高功率新能源汽车的电驱动系统的要求。

与之相比，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。但是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。铜的硬度和杨氏模量相较于铝都更大（注：杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，又称拉伸模量，是弹性模量中最常见的一种），为了保证键合的效果，对超声能量的要求更高，这难免会损伤超薄型的IGBT芯片，甚至可能导致芯片内部结构被损坏，因此铜线键合仍然具有一定的技术壁垒。

图3.铝线和铜线键合性能对比

通过对封装工艺中的两大关键技术——焊接、键合的分析可看出，新能源汽车的IGBT模块封装技术非常具有挑战性，在芯片技术成熟发展的背景下，芯片的热功率密度会越来越大，因此需要不断改进IGBT模块的封装技术，以此来提高芯片焊接的可靠性，降低热阻，封装技术探索的道路任重道远。

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