IGBT模塊封裝過程中的技術詳解

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優點。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

一、 什么是IGBT模塊

IGBT 模塊是由 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與?FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的 IGBT 模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。

二、 IGBT模塊的特點與市場

IGBT 模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的 IGBT 也指 IGBT 模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；IGBT 是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

三、 IGBT 模塊的制造工藝和流程

生產制造流程：

絲網印刷? 自動貼片?真空回流焊接?超聲波清洗?缺陷檢測（X 光）?自動引線鍵合?激光打標?殼體塑封?殼體灌膠與固化?端子成形?功能測試

IGBT?模塊封裝是將多個 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模塊封裝技術的開發和運用。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有很多，各生產商的命名也不一樣，如英飛凌的 62mm 封裝、TP34、DP70 等等。

IGBT 模塊有 3 個連接部分：硅片上的鋁線鍵合點、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。這些接點的損壞都是由于接觸面兩種材料的熱膨脹系數不匹配而產生的應力和材料的熱惡化造成的。

IGBT 模塊封裝技術很多，但是歸納起來無非是散熱管理設計、超聲波端子焊接技術和高可靠錫焊技術：

（1）散熱管理設計方面，通過采用封裝的熱模擬技術，優化了芯片布局及尺寸，從而在相同的ΔTjc 條件下，成功實現了比原來高約 10%的輸出功率。

（2）超聲波端子焊接技術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。該技術與錫焊方式相比，不僅具備高熔點和高強度，而且不存在線性膨脹系數差，可獲得較高的可靠性。

（3）高可靠性錫焊技術。普通 Sn-Ag 焊接在 300 個溫度周期后強度會降低 35%，而 Sn-Ag-In 及 Sn-Sb 焊接在相同周期之后強度不會降低。這些技術均“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，打標等等。

IGBT 模塊封裝的作用 IGBT 模塊封裝采用了膠體隔離技術，防止運行過程中發生爆炸;第二是電極結構采用了彈簧結構，可以緩解安裝過程中對基板上形成開裂，造成基板的裂紋;第三是對底板進行加工設計，使底板與散熱器緊密接觸，提高了模塊的熱循環能力。

對底板設計是選用中間點設計，在我們規定的安裝條件下，它的幅度會消失，實現更好的與散熱器連接。后面安裝過程我們看到，它在安裝過程中發揮的作用。產品性能，我們應用 IGBT 過程中，開通過程對 IGBT 是比較緩和的，關斷過程中是比較苛刻。大部分損壞是關斷造成超過額定值。

四、 IGBT模塊封裝過程中的技術詳解

第一點說到焊接技術，如果要實現一個好的導熱性能，我們在進行芯片焊接和進行DBC?基板焊接的時候，焊接質量就直接影響到運行過程中的傳熱性，通過真空焊接技術實現的焊接?？梢钥吹?DBC 和基板的空洞率。這樣的就不會形成熱積累，不會造成 IGBT 模塊的損壞。

第二種就是鍵合技術，實現數據變形。鍵合的作用主要是實現電氣連接。在 600 安和1200 安大電流情況下，IGBT 實現了所有電流，鍵合的長度就非常重要，陷進決定模塊大小，電流實現參數的大小。運用過程中，如果鍵合陷進、長度不合適，就會造成電流分布不均勻，容易造成 IGBT 模塊的損壞。外殼的安裝，因為 IGBT 本身芯片是不直接與空氣等環境接觸，實現絕緣性能，主要是通過外殼來實現的。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。

第三是罐封技術，如果 IGBT 應用在高鐵、動車、機車上，機車車輛運行過程中，環境是非常惡劣的，我們可能會遇到下雨天，遇到潮濕、高原，或者灰塵比較大，如何實現IGBT 芯片與外界環境的隔離，實現很好運行的可靠性，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。我們大規模封裝的時候，填充材料的部分加入了緩沖層，芯片運行過程中不斷加熱、冷卻。在這個過程中如果填充材料的熱膨脹系數與外殼不一致，那么就有可能造成分層的現象，在IGBT 模塊中間加入一種類似于起緩沖作用的填充物，可以防止分層現象出現。

第四是質量控制環節，質量控制所有完成生產后的大功率 IGBT，需要對各方面性能進行試驗，這也是質量保證的根本，可以通過平面設施，對底板進行平整度進行測試，平整度在 IGBT 安裝以后，所有熱量散發都是底板傳輸到散熱器。平面度越好，散熱器接觸性能越好，導熱性能越好。第二是推拉測試，對鍵合點的力度進行測試。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，焊接以后的產品質量的空洞率做一個掃描。這點對于導熱性也是很好的控制。IGBT 模塊電氣方面的監測手段，主要是監測 IGBT 模塊它的參數、特性是否能滿足我們設計的要求，第二絕緣測試。

審核編輯：黃飛

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