新能源车用IGBT模块封装手艺的现状

一、IGBT模块在新能源汽车中的要害职位

在新能源汽车中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块是极为要害的元件之一。例如在电机控制系统、电池治理系统、电动空调控制系统、充电系统等都有普遍应用。在主逆变器中，IGBT将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；在车载充电机中，加入220V交流电转换为直流并为高压电池充电。其本钱占有电机控制器本钱的40%左右，占新能源汽车整车本钱的10%左右，占充电桩本钱20%左右 。

二、封装手艺的主要工艺及难点

IGBT封装从芯片来推测封装完成主要经由丝网印刷 - 自动贴片 - 真空回流焊接 - 超声波洗濯 - 缺陷检测（X光） - 自动引线键合 - 激光打标 - 壳体塑封 - 功率端子键合 - 壳体灌胶与固化 - 端子成形 - 功效测试等工艺。每一个工艺环节相较于其他的工艺手艺，其手艺难度系数都是相当高的。由于汽车事情情形卑劣，可能面临强振动、高温、高湿等极端条件，关于车规级IGBT而言，在温度攻击、温度循环、功率循环、耐温性能等要求标准远高于工业级和消耗级。汽车级IGBT模块的使用时间要求需要抵达15年，以是在封装历程中，模块对产品的可靠性和质量稳固性要求很是高。高可靠性设计需要思量质料匹配、高效散热、低寄生参数、高集成度等因素。封装工艺控制还包括低朴陋率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等环节 。

三、目今的手艺名堂

从全球规模来看，现在差未几70%的车规级IGBT市场份额都被欧、美、日等国朋分，海内的IGBT设计及制造能力生长狼籍不齐，但也有不少企业在一直举行手艺立异并追求突破。例如比亚迪研发出的全新车规级产品IGBT4.0，其芯片消耗、模块温度循环能力、电流输出能力等要害指标，抵达了全球领先水平 。

IGBT模块封装手艺的生长历程

一、早期的IGBT模块封装手艺

IGBT模块降生于20世纪80年月，并在90年月举行新一轮的刷新升级。早期的IGBT模块接纳古板的封装方法，如引线键合和单边散热手艺，这种古板Si基功率模块封装保存寄生参数过高、散热效率差的问题。古板的封装主要是为了知足其时的基本功效需求，关于功率密度、散热等方面的思量相对较少，并且关于在汽车等特殊情形下事情的可靠性要求也没有现在这么高 。

二、手艺刷新的推动因素

随着手艺的生长和应用场景的转变，特殊是电动汽车的蓬勃生长，对IGBT模块提出了更高的要求。例如，在电动汽车中，IGBT需要频仍地举行高电压、高电流的转换，这就要求IGBT模块具有更高的可靠性和更好的散热性能。别的，新能源汽车在功率密度、驱动效率方面的要求一直提高，也促使IGBT模块封装手艺一直刷新。

三、要害手艺生长阶段

1. 叠层封装手艺的泛起：这种手艺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。

2. 无引线互连和双面散热手艺的应用：SiC功率模块封装在结构上接纳了无引线互连（wirelessinterconnection）和双面散热（double - sidecooling）手艺，解决了古板封装中寄生参数过高和散热效率差的问题。同时，选用了导热系数更好的衬底质料，并实验在模块结构中集成去耦电容、温度/电撒播感器以及驱动电路等，研发出了多种差别的模块封装手艺。

3. 2.5D和3D模块封装结构的生长：为进一步降低寄生效应，使用多层衬底的2.5D和3D模块封装结构被开发出来用于功率芯片之间或者功率芯片与驱动电路之间的互连。在2.5D结构中，差别的功率芯片被焊接在统一块衬底上，而芯片间的互连通过增添的一层转接板中的金属连线实现；在3D模块封装结构中，两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现笔直互连。这些结构有助于提高模块的性能和集成度 。

新能源车用IGBT模块封装手艺的立异偏向

一、质料立异

1. 新型互连质料的探索

• 在IGBT模块封装中，古板的互连质料可能保存一些局限性。例如，在键合手艺方面，铝线键合工艺虽然本钱较低，但铝自己的热学特征、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，会泛起热应力群集，可能导致键合线开裂和IGBT模块失效。而铜线的力学特征、热学特征、电学特征均优于铝线，用铜线举行键合，可靠性更高，特殊是在功率密度、散热效率较高的功率模块上接纳铜线键适时，能有用提升功率循环能力。然而，铜线无法与铝金属化层为基础的半导体芯片优异匹配，往往需要运用电镀、气相沉积等方法对铜金属化处置惩罚，使半导体芯片外貌顺应铜线键合，这也加大了工艺的重大性。

• 除了金属线的立异，在焊接质料方面也有刷新的空间。例如银烧结工艺这种低温毗连手艺，与通俗软钎焊层相比，银烧结层的厚度更薄，仅为通俗焊层的50% - 80%左右，且具有5倍左右的高电导率、高热导率，以是银烧结层同时具有优异的功率循环能力和温度循环能力，不过由于实验难度较大，工艺参数难以探索，且装备、银粉本钱较高，应用还不敷普遍 。

2. 封装质料的刷新

• 在封装质料方面，古板的硅胶灌封方法在新能源车用电网电力风电方面（1200V以上领域）保存缺乏之处，例如在一连高温200度情形下事情时，性能变差，底部会爆发VOLD，铝线形变，器件容易击穿销毁。而高耐热、低热膨胀低缩短性液态环氧有取代硅胶灌封的趋势，日本的一些超等IGBT模块大厂（M社/F社）已逐步接纳，海内也已有电力方面IGBT模组至公司在举行环氧灌封手艺试验（1200V以上领域） 。

二、结构立异

1. 提高集成度的封装结构

• 随着新能源汽车手艺的一直生长，对IGBT模块的集成度要求越来越高。例如通过接纳三维封装手艺，可以在有限的空间内集成更多的IGBT芯片，从而提高模块的功率密度。别的，还可以将传感器等集成到IGBT模块中，实现多功效、集成化的封装设计。这种集成化的结构有助于镌汰模块的体积，提高系统的整体性能，并且可以降低系统的重漂后和本钱。

• 
  

2. 改善散热性能的结构设计

• 高效散热是包管IGBT模块稳固事情的要害。为了提高散热效率，一些新的结构设计一直涌现。例如接纳双面散热结构，可以使热量从芯片的两面散发出去，提高散热效率Ｉ杏薪幽商厥獾纳⑷韧ǖ郎杓，优化散热路径，使热量能够更快地散发出去，降低芯片的温度，从而提高模块的可靠性和使用寿命。

三、工艺立异

1. 焊接工艺的优化

• 在焊接手艺方面，软钎焊手艺是常用的要领，主要使用真空回流焊/真空共晶炉毗连种种电气元件，如半导体芯片、陶瓷衬板和基板等。在软钎焊接历程中，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，并在焊接完成后举行洗濯处置惩罚，但这种方法容易受到湿润情形的影响；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洗濯，焊层更匀称，但这种要领所需的焊接装备较为重大，焊接时需要使用特制的夹具来定位焊片和焊接件。现在，为了提高焊接的可靠性，还在一直优化焊接工艺参数，以降低焊接缺陷，如朴陋、枕头缺陷、不润湿开路、枝晶生长、开裂和翘曲等。

2. 键合工艺的提升

• 在键合工艺上，除了探索新的键合质料（如铜线）外，也在一直优化键合工艺参数，例如优化键合线形状等。关于差别的键合质料，如铝线和铜线，需要凭证其特征来调解键合工艺。关于铜线键合，由于铜的硬度和杨氏模量相较于铝都更大，为了包管键合的效果，对超声能量的要求更高，需要准确控制超声能量，以阻止损伤超薄型的IGBT芯片甚至导致芯片内部结构被损坏。

未来新能源车对IGBT模块封装手艺的需求

一、应对卑劣事情情形的高可靠性需求

1. 高可靠性的多方面要求

• 新能源汽车事情情形卑劣，可能面临强振动、高温、高湿等极端条件。因此，IGBT模块封装手艺的高可靠性设计需要思量多个方面。例如，在质料匹配方面，基板质料需要具有优异的热导性和强度，焊料需要具有优异的崎岖温度循环攻击可靠性，封装结构需要能够有用降低寄生电感等。

• 高可靠性还体现在封装工艺控制上，包括低朴陋率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等环节。例如，低朴陋率焊接可以提高焊接层的可靠性，降低因焊接缺陷导致的失效危害；ESD防护可以避免静电对模块造成损害；老化筛选能够剔除早期失效的产品，提高产品的整体可靠性。

2. 长寿命的需求

• 新能源车用IGBT模块的使用时间可达15年以上，因此封装手艺必需知足长寿命的要求。这需要综合思量质料的老化、焊接的可靠性、散热性能等因素。例如，接纳耐高温、抗老化的封装质料可以延伸模块的使用寿命；接纳低朴陋率焊接/烧结手艺可以提高焊接层的可靠性，降低因焊接缺陷导致的失效危害。

二、知足高性能要求的封装手艺需求

1. 高效能封装需求

• 新能源车用IGBT模块的高效能封装主要体现在提高电流承载能力、降低导通消耗和开关消耗等方面。为了实现高效能封装，通常接纳并联毗连的芯片结构，并通过引线键合和焊接手艺实现电气互连。同时，接纳先进的封装质料和结构，如铜基板、铝基碳化硅（AlSiC）等，可以显著提高模块的散热性能，降低结温，从而提高模块的可靠性和使用寿命。

2. 高集成度需求

• 随着新能源汽车手艺的一直生长，对IGBT模块的集成度要求越来越高。例如，汽车的电子系统越来越重大，需要在有限的空间内集成更多的功效。通过接纳三维封装手艺，可以在有限的空间内集成更多的IGBT芯片，还可以将传感器等集成到IGBT模块中，实现多功效、集成化的封装设计，提高模块的功率密度，知足汽车关于空间和性能的要求。

新能源车用IGBT模块封装手艺的国际生长趋势

一、小型化与轻量化

1. 小型化的手艺实现

• 随着新能源汽车对功率密度和续航里程的要求一直提高，IGBT模块的小型化成为必定趋势。通过接纳先进的封装质料和结构，如Chip - on - stra（COS）、DirectCopperBonding（DBC）等，可以显著减小模块体积。例如，这些手艺可以优化芯片与基板的毗连方法，镌汰不须要的空间占用，提高封装密度，从而实现模块的小型化。

• 小型化的IGBT模块有助于在汽车有限的空间内集成更多的电子元件，提高汽车电子系统的集成度，并且可以降低模块的重量，镌汰汽车的整体重量，从而有助于提高新能源汽车的续航里程。

2. 轻量化的意义和实现途径

• 轻量化关于新能源汽车来说具有主要意义，它可以降低汽车的能耗，提高能源使用效率。在IGBT模块封装手艺方面，除了接纳小型化的封装结构外，还可以通过选择轻质的封装质料来实现轻量化。例如，一些新型的高分子质料可能具有较轻的重量和优异的电气性能、热性能，可以在知足模块功效要求的同时减轻模块的重量。

二、高效散热的一连生长

1. 高效散热手艺的主要性

• 在IGBT模块事情历程中，会爆发大宗的热量，若是散热不实时，会导致芯片温度过高，从而影响模块的性能、可靠性和使用寿命。因此，高效散热是包管IGBT模块稳固事情的要害。特殊是在高功率密度和高温情形下，模块的散热问题更为突出，提高散热效率成为目今研究的热门之一。

2. 新型散热手艺的探索

• 除了古板的散热手艺如铝基板、铜基板散热外，一些新型的散热手艺也在一直探索中。例如，接纳微通道冷却手艺，通过在模块内部设计细小的冷却通道，使冷却液能够快速带走热量；尚有接纳热管散热手艺，使用热管的高效热传导性能，将芯片爆发的热量迅速传导到散热片上举行散发。别的，一些新型的热界面质料也在研发中，这些质料可以提高芯片与散热基板之间的热传导效率，从而提高整个模块的散热性能。

三、智能化与集成化

1. 智能化趋势的体现

• 在IGBT模块封装手艺中，智能化趋势也逐渐展现。例如，可以在封装历程中集成智能传感器，用于实时监测模块的温度、电流、电压等参数，以便实时发明模块的异常情形，提高系统的可靠性。同时，还可以通过智能算法对这些监测数据举行剖析，实现对模块的智能控制，如凭证温度自动调解模块的事情状态，提高模块的效率和使用寿命。

2. 集成化生长的偏向

• 集成化是国际上IGBT模块封装手艺的一个主要生长偏向。除了前面提到的将多个IGBT芯片集成在一起提高功率密度外，还可以将驱动电路、；さ缏返燃傻絀GBT模块中，实现系统级的集成。这样可以镌汰外部电路的毗连，降低系统的重漂后，提高系统的可靠性和稳固性，并且可以缩小整个系统的体积，知足新能源汽车关于紧凑设计的要求。

IGBT模块IGBT芯片封装洗濯剂选择：

水基洗濯的工艺和装备设置选择对洗濯细密器件尤其主要，一旦选定，就会作为一个恒久的使用和运行方法。水基洗濯剂必需知足洗濯、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情形中的湿气，通电后爆发电化学迁徙，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破损了电路板功效。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，尚有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、灰尘等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、爆发气孔、短路等等多种不良征象。

这么多污染物，究竟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因素，焊后必定保存热改性天生物，这些物质在所有污染物中的占有主导，从产品失效情形来而言，焊后剩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徙使绝缘电阻下降，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，因此焊后必需举行严酷的洗濯，才华包管电路板的质量。

尊龙凯时科技研发的水基洗濯剂配合合适的洗濯工艺能为芯片封装条件供清洁的界面条件。

尊龙凯时科技运用自身原创的产品手艺，知足芯片封装工艺制程洗濯的高难度手艺要求，突破外洋厂商在行业中的垄断职位，为芯片封装质料周全国产自主提供强有力的支持。

推荐使用尊龙凯时科技水基洗濯剂产品。