IGBT模塊封裝流程原理圖

IGBT模塊封裝是將多個(gè)IGBT集成封裝在一起，以提高IGBT模塊的使用壽命和可靠性，體積更小、效率更高、可靠性更高是市場對IGBT模塊的需求趨勢，這就有待于IGBT模塊封裝技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用。目前流行的IGBT模塊封裝形式有引線型、焊針型、平板式、圓盤式四種，常見的模塊封裝技術(shù)有很多，各生產(chǎn)商的命名也不一樣，如英飛凌的62mm封裝、TP34、DP70等等。

IGBT模塊有3個(gè)連接部分:硅片上的鋁線鍵合點(diǎn)、硅片與陶瓷絕緣基板的焊接面、陶瓷絕緣基板與銅底板的焊接面。這些接點(diǎn)的損壞都是由于接觸面兩種材料的熱膨脹系數(shù)(C犯)不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力和材料的熱惡化造成的。 如下圖，采用英飛凌62mm封裝的FF300R12KS4結(jié)構(gòu)圖

IGBT模塊封裝技術(shù)很多，但是歸納起來無非是散熱管理設(shè)計(jì)、超聲波端子焊接技術(shù)和高可靠錫焊技術(shù)。下面以富士通經(jīng)典的IGBT封裝PrimePACK封裝來說明三項(xiàng)技術(shù)的原理和特點(diǎn)：

(1)散熱管理設(shè)計(jì)方面，通過采用封裝的熱模擬技術(shù)，優(yōu)化了芯片布局及尺寸，從而在相同的ΔTjc條件下，成功實(shí)現(xiàn)了比原來高約10%的輸出功率。

(2)超聲波端子焊接技術(shù)可將此前使用錫焊方式連接的銅墊與銅鍵合引線直接焊接在一起(圖2)。該技術(shù)與錫焊方式相比，不僅具備高熔點(diǎn)和高強(qiáng)度，而且不存在線性膨脹系數(shù)差，可獲得較高的可靠性(圖3)。與會(huì)者對于采用該技術(shù)時(shí)不需要特別的準(zhǔn)備。富士公司一直是在普通無塵室內(nèi)接近真空的環(huán)境下制造，這種方法沒有太大的問題。

圖3：超聲波焊接與錫焊的比較

(3)高可靠性錫焊技術(shù)。普通Sn-Ag焊接在300個(gè)溫度周期后強(qiáng)度會(huì)降低35%，而Sn-Ag-In及Sn-Sb焊接在相同周期之后強(qiáng)度不會(huì)降低。這些技術(shù)均“具備較高的高溫可靠性”。

IGBT模塊封裝流程：一次焊接--一次邦線--二次焊接--二次邦線---組裝--上外殼、涂密封膠--固化---灌硅凝膠---老化篩選。這些流程不是固化的，要看具體的模塊，有的可能不需要多次焊接或邦線，有的則需要，有的可能還有其他工序。上面也只是一些主要的流程工藝，其他還有一些輔助工序，如等離子處理，超聲掃描，測試，打標(biāo)等等。

IGBT模塊封裝的作用 IGBT模塊封裝采用了膠體隔離技術(shù)，防止運(yùn)行過程中發(fā)生爆炸;第二是電極結(jié)構(gòu)采用了彈簧結(jié)構(gòu)，可以緩解安裝過程中對基板上形成開裂，造成基板的裂紋;第三是對底板進(jìn)行加工設(shè)計(jì)，使底板與散熱器緊密接觸，提高了模塊的熱循環(huán)能力。對底板設(shè)計(jì)是選用中間點(diǎn)設(shè)計(jì)，在我們規(guī)定的安裝條件下，它的幅度會(huì)消失，實(shí)現(xiàn)更好的與散熱器連接。后面安裝過程我們看到，它在安裝過程中發(fā)揮的作用。產(chǎn)品性能，我們應(yīng)用IGBT過程中，開通過程對IGBT是比較緩和的，關(guān)斷過程中是比較苛刻。大部分損壞是關(guān)斷造成超過額定值。

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延伸閱讀：IGBT模塊封裝過程中的技術(shù)詳解

第一點(diǎn)說到焊接技術(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的導(dǎo)熱性能，我們在進(jìn)行芯片焊接和進(jìn)行DBC基板焊接的時(shí)候，焊接質(zhì)量就直接影響到運(yùn)行過程中的傳熱性。從上面的結(jié)構(gòu)圖我們可以看到，通過真空焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)的焊接?？梢钥吹紻BC和基板的空洞率。這樣的就不會(huì)形成熱積累，不會(huì)造成IGBT模塊的損壞。

第二種就是鍵合技術(shù)，富士通公司用的鍵合技術(shù)是超聲鍵合。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變形。鍵合的作用主要是實(shí)現(xiàn)電氣連接。在600安和1200安大電流情況下，IGBT實(shí)現(xiàn)了所有電流，鍵合的長度就非常重要，陷進(jìn)決定模塊大小，電流實(shí)現(xiàn)參數(shù)的大小。運(yùn)用過程中，如果鍵合陷進(jìn)、長度不合適，就會(huì)造成電流分布不均勻，容易造成 IGBT模塊的損壞。外殼的安裝，因?yàn)镮GBT本身芯片是不直接與空氣等環(huán)境接觸，實(shí)現(xiàn)絕緣性能，主要是通過外殼來實(shí)現(xiàn)的。外殼就要求在選材方面需要它具有耐高溫、不易變形、防潮、防腐蝕等特性。

第四是罐封技術(shù)，如果IGBT應(yīng)用在高鐵、動(dòng)車、機(jī)車上，機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，環(huán)境是非常惡劣的，我們可能會(huì)遇到下雨天，遇到潮濕、高原，或者灰塵比較大，如何實(shí)現(xiàn)IGBT芯片與外界環(huán)境的隔離，實(shí)現(xiàn)很好運(yùn)行的可靠性，它的罐封材料起到很重要的作用。就要求選用性能穩(wěn)定無腐蝕，具有絕緣、散熱等能力，膨脹率小、收縮率小的材料。我們大規(guī)模封裝的時(shí)候，填充材料的部分加入了緩沖層，芯片運(yùn)行過程中不斷加熱、冷卻。在這個(gè)過程中如果填充材料的熱膨脹系數(shù)與外殼不一致，那么就有可能造成分層的現(xiàn)象，在IGBT模塊中間加入一種類似于起緩沖作用的填充物，可以防止分層現(xiàn)象出現(xiàn)。

第五是質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，質(zhì)量控制所有完成生產(chǎn)后的大功率IGBT，需要對各方面性能進(jìn)行試驗(yàn)，這也是質(zhì)量保證的根本，可以通過平面設(shè)施，對底板進(jìn)行平整度進(jìn)行測試，平整度在IGBT安裝以后，所有熱量散發(fā)都是底板傳輸?shù)缴崞?。平面度越好，散熱器接觸性能越好，導(dǎo)熱性能越好。第二是推拉測試，對鍵合點(diǎn)的力度進(jìn)行測試。第三硬度測試儀，對主電極的硬度，不能太硬、也不能太軟。超聲波掃描，主要對焊接過程，焊接以后的產(chǎn)品質(zhì)量的空洞率做一個(gè)掃描。這點(diǎn)對于導(dǎo)熱性也是很好的控制。IGBT模塊電氣方面的監(jiān)測手段，主要是監(jiān)測IGBT模塊它的參數(shù)、特性是否能滿足我們設(shè)計(jì)的要求，第二絕緣測試。