功率模塊封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)

1、功率模塊封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)摘要 ：本文從封裝角度評估功率電子系統(tǒng)集成的重要性。文中概述了多種功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)形式及主要研發(fā)內(nèi)容。另外還討論了模塊封裝技術(shù)的一些新進展以及在功率電子系統(tǒng)集成中的地位和作用。1 引言功率（電源或電力）半導(dǎo)體器件現(xiàn)有兩大集成系列，其一是單片功率或高壓集成電路，英文縮略語為PIC或 HIVC ，電流、電壓分別小于10A、 700V 的智能功率器件/電路采用單片集成的產(chǎn)品日益增多，但受功率高壓大電流器件結(jié)構(gòu)及制作工藝的特殊性，彈片集成的功率/高壓電路產(chǎn)品能夠處理的功率尚不足夠大，一般適用于數(shù)十瓦的電子電路的集成；另一類是將功率器件、控制電路、驅(qū)動電路、接口電路、保護電路等

2、芯片封裝一體化，內(nèi)部引線鍵合互連形成部分或完整功能的功率模塊或系統(tǒng)功率集成，其結(jié)構(gòu)包括多芯片混合 IC 封裝以及智能功率模塊IPM 、功率電子模塊PEBb 、集成功率電子模塊等。功率模塊以為電子、功率電子、封裝等技術(shù)為基礎(chǔ)，按照最優(yōu)化電路拓撲與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原則，形成可以組合和更換的標準單元，解決模塊的封裝結(jié)構(gòu)、模塊內(nèi)部芯片及其與基板的互連方式、各類封裝（導(dǎo)熱、填充、絕緣）的選擇、植被的工藝流程的國內(nèi)許多問題，使系統(tǒng)中各種元器件之間互連所產(chǎn)生的不利寄生參數(shù)少到最小，功率點樓的熱量更易于向外散發(fā)，其間更能耐受環(huán)境應(yīng)力的沖擊，具有更大的電流承載能力，產(chǎn)品的整體性能、可能性、功率密度得到提高，滿足功率管理

3、、電源管理、功率控制系統(tǒng)應(yīng)用的需求。2 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)功率模塊的封裝外形各式各樣，新的封裝形式日新月異，一般按管芯或芯片的組裝工藝及安裝固定方法的不同，主要分為壓接結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、直接敷銅DBC 基板結(jié)構(gòu)，所采用的封裝形式多為平面型以及，存在難以將功率芯片、控制芯片等多個不同工藝芯片平面型安裝在同一基板上的問題。為開發(fā)高性能的產(chǎn)品，IC 封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的多芯片模塊MCM 封裝成為目前主流發(fā)展趨勢，即重視工藝技術(shù)研究，更關(guān)注 產(chǎn)品類型開發(fā)，不僅可將幾個各類芯片安裝在同一基板上，而且采用埋置、有源基板、疊層、嵌入式封裝， 在三維空間內(nèi)將多個不同工藝的芯片互連，構(gòu)成完整功能的模塊。壓接式結(jié)構(gòu)延用平

4、板型或螺栓型封裝的管芯壓接互連技術(shù)，點接觸靠內(nèi)外部施加壓力實現(xiàn)，解決熱疲勞穩(wěn)定性問題，可制作大電流、高集成度的功率模塊，但對管芯、壓塊、底板等零部件平整度要求很高，否則不僅將增大模塊的接觸熱阻，而且會損傷芯片，嚴重時芯片會撕裂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、比較笨重，多用于晶閘管功率模塊。焊接結(jié)構(gòu)采用引線鍵合技術(shù)為主導(dǎo)的互連工藝，包括焊料凸點互連、金屬柱互連平行板方式、凹陷陣列互連、沉積金屬膜互連等技術(shù)，解決寄生參數(shù)、散熱、可靠性問題，目前已提出多種實用技術(shù)方案。例如，合理結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計二次組裝已封裝元器件構(gòu)成模塊；或者功率電路采用芯片，控制、驅(qū)動電路采用已封裝器件，構(gòu)成高性能模塊；多芯片組件構(gòu)成功率智能

5、模塊。DBC 基板結(jié)構(gòu)便于將微電子控制芯片與高壓大電流執(zhí)行芯片密封在同一模塊之中，可縮短或減少內(nèi)部引線，具備更好的熱疲勞穩(wěn)定性和很高的封裝集成度，DBC 通道、整體引腳技術(shù)的應(yīng)用有助于MCM 的封裝，整體引腳無需額外進行引腳焊接，基板上有更大的有效面積、更高的載流能力，整體引腳可在基板的所有四邊實現(xiàn)，成為MCM 功率半導(dǎo)體器件封裝的重要手段，并為模塊智能化創(chuàng)造了工藝條件。MCM 封裝解決兩種或多種不同工藝所生產(chǎn)的芯片安裝、大電流布線、電熱隔離等技術(shù)問題，對生產(chǎn)工藝和設(shè)備的要求很高。MCM 外形有側(cè)向引腳封裝、向上引腳封裝、向下引腳封裝等方案。簡而言之，側(cè)向引腳封裝基本結(jié)構(gòu)為DBC 多層架構(gòu)，D

6、BC 板帶有通道與整體引腳，可閥框架焊于其上，引線鍵合后，焊上金屬蓋完成封裝。向上引腳封裝基本結(jié)構(gòu)也采用多層DBC ，上層DBC 邊緣留有開孔，引腳直接鍵合在下層DBC 板上，可閥框架焊于其上，引線鍵合后，焊上金屬蓋完成封裝。向下引腳封裝為單層DBC 結(jié)構(gòu)，銅引腳通過DBC 基板預(yù)留通孔，直接鍵合在上層導(dǎo)體銅箔的背面，可閥框架焊于其上，引線鍵合、焊上金屬 蓋完成封裝。綜觀功率模塊研發(fā)動態(tài)，早已突破最初定義是將兩個或兩個以上的功率半導(dǎo)體芯片（各類晶閘管、整流二極管、功率復(fù)合晶體管、功率MOSFET 、絕緣柵雙極型晶體管等），按一定電路互連，用彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護材料密封在一個絕緣外殼內(nèi)，并

7、與導(dǎo)熱底板絕緣的概念，邁向?qū)⑵骷酒c控制、驅(qū)動、過壓過流及過熱與欠壓保護等電路芯片相結(jié)合，密封在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化功率模塊時代。3 智能功率模塊IPMIPM 是一種有代表性的混合IC 封裝，將包含功率器件、驅(qū)動、保護和控制電路的多個芯片，通過焊絲或銅帶連接，封裝在同一外殼內(nèi)構(gòu)成具有部分或完整功能的、相對獨立的功率模塊。用IGBT 單元構(gòu)成的功率模塊在智能化方面發(fā)展最為迅速，又稱為 IGBT-IPM ， KW 級小功率IPM 可采用多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣PCB技術(shù)，大中功率IPM 則采用 DBC 多芯片技術(shù)，IGBT 和續(xù)流二極管反并聯(lián)組成基本單元并聯(lián)，也可以是兩個基本單元組成的二單元以及多

8、單元并聯(lián)，典型組合方式還有六單元或七單元結(jié)構(gòu)，內(nèi)部引線鍵合互連，實現(xiàn)輕、小、超薄型IPM 、內(nèi)表面絕緣智能功率模塊I2PM 、程控絕緣智能功率模塊PI-IPM ，品種系列豐富，應(yīng)用設(shè)計簡潔。此外，開發(fā)出將晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及保護電路共同封裝在一個塑料外殼內(nèi)構(gòu)成的智能晶閘管模塊ITPM 。4 功率電子模塊PEBBPEBB 是一種針對分布式電源系列進行劃分和構(gòu)造的新的模塊化概念，根據(jù)系統(tǒng)層面對電路合理細化，抽取出具有相同功能或相似特征的部分，制成通用模塊PEBB ，作為功率電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，系統(tǒng)中全部或大部分的功率變換功能可用相同的PEBB 完成。PEBB 采用多層疊裝三維立體封裝與表

9、面貼裝技術(shù)，所有待封裝器件均以芯片形式進入模塊，模塊在系統(tǒng)架構(gòu)下標準化，最底層為散熱器，其次是 3 個相同的PEBB 相橋臂組成的三相整流橋，再上面是驅(qū)動電路，頂層是傳感器信號調(diào)節(jié)電路。PEBB 的應(yīng)用方便靈活，可靠性高，維護性好。5 集成功率電子模塊IPEMIPEM 研發(fā)的主要內(nèi)容涉及適用于模塊內(nèi)部的，具有通用性的主電路、控制、驅(qū)動、保護、電源等電路及無源元件技術(shù)，通過多層互連和高集成度混合IC 封裝， 全部電路和元器件一體化封裝，形成通用性標準化的 IPEM ，易于構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。在IPEM 制造中，采用陶瓷基板多芯片模塊MCM-C 技術(shù)，將信息傳輸、控制與功率器件等多層面進行互連

10、，所有的無源元件都是以埋層方面掩埋在基板中，完全取消常規(guī)模塊封裝中的鋁絲鍵合互連工藝，采用三維立體組裝，增加散熱。IPEM 克服了 IPM 內(nèi)部因各功率器件與控制電路用焊絲連接不同芯片造成的焊絲引入的線電感與焊絲焊點的可靠性限制IPM 進一步發(fā)展的瓶頸。 IPEM 不采用焊絲互連，增強其可靠性，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率。6 i POWIRi POWIR是一種較有代表性的多芯片模塊，它將功率器件、控制用 IC、脈寬調(diào)制IC以及一些無源元件按照電源設(shè)計的需求，采用焊球陣列BGA 封裝技術(shù)，組裝在同一外殼中，在生產(chǎn)中作為大開關(guān)電源形式完成測試。 i POWIR 可簡化電源設(shè)計，減少外圍元件

11、數(shù)量，壓縮占用電路板面積，并在性能上有較大提高，以更低的成本來實現(xiàn)與功能齊備的電源產(chǎn)品相當?shù)目煽啃?。例如，一種雙路i POWIR 可產(chǎn)生每路1.5A 的電流輸出，其輸出組合在一起，便可獲得30A 的輸出，可靠性大為提高。i POWIR 的進一步發(fā)展，被認為是DC DC 變換的未來。開發(fā)出一系列專用的i MOTION 、 i NTERO 集成功率模塊，用以促進中小功率電機驅(qū)動的小型化、集成化、高性能、高可靠、專業(yè)化，應(yīng)用場合包括家電中的冰箱、洗衣機、空調(diào)等。7 功率模塊封裝技術(shù)功率模塊的研發(fā)在很大程度上取決于功率器件和混合IC封裝技術(shù)的新進展。"皮之不存，毛將焉附"。它既是芯

12、片制造技術(shù)的延伸擴展，也是封裝生產(chǎn)多元化縱深拓展的新領(lǐng)域，所研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括DBC基板、互連工藝、封裝材料、熱設(shè)計等。7.1 AIN-DBC封裝基板國際上，各種規(guī)格的AIN-DBC封裝基板可大批量商品化供貨，國內(nèi)小批量供貨遠無法滿足需求。AIN-DBC具有AIN陶瓷的高熱導(dǎo)性，又具備Cu箔的高導(dǎo)電特性，并可像 PCB板一樣，在其表面刻蝕出所需的各種 圖形，用于功率器件與模塊封裝中，表 1示出幾種封裝用陶瓷基板的性能比較。在 AIN-DBC電子封裝基 板的制備中，有效地控制 Cu箔與AIN陶瓷基片界面上Cu-O共晶液相的產(chǎn)生、分布及降溫過程的固化是 其工藝的重點，這些因素都與體系中的氧成分有著

13、密切的關(guān)系，表2示出目前較常用的 AIN基片金屬化技術(shù)及其基板比較，Cu箔、AIN基片在預(yù)氧化時都要控制氧化的溫度及時間，使其表面形成的A12O3薄層厚度達1 g,兩者間過渡層的結(jié)構(gòu)與成分對 AIN-DBC基板的導(dǎo)熱性及結(jié)合強度影響極大，加熱敷接過程 中溫度、時間及氣氛的控制都將對最終界面產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及形態(tài)產(chǎn)生影響，可將0.1250.7mm厚的Cu箔覆合在AIN基片上，各類芯片可直接附著在此基板上。在封裝應(yīng)用中，前后導(dǎo)通可通過敷接Cu箔之前在AIN基片上鉆孔實現(xiàn)，或采用微導(dǎo)孔、引腳直接鍵合針柱通道、金屬柱互連等技術(shù)，實現(xiàn)密封連接。AIN基片在基板與封裝一體化以及降低封裝成本、增加布線密度、提高可

14、靠性等方面均有優(yōu)勢，例如，AIN-DBC基板的焊接式模塊與普通焊接模塊相比，體積小、重量輕、熱疲勞穩(wěn)定性好、密封功率器件的集成度更高。裹I封裝總用陶密里根幽 HAINAkO*IkO密理3.2S 工跖 工斜琳彩林系勤 iw* t；M；TOn；4,4LO77百件JLJLfi息2 A1N基首金M優(yōu)比較INI用笆海版平愎.aCult2-2可冏口好.光闔8輒化后事守嵋化l'a-t-Lr.2-1叫舊歸嚀.屏蟀女姬昌化學的期金醇北1 -2惟亦,在曲學儀化Cu-1.0手此忤.冷腦口利行7.2 鍵合互連工藝芯片安裝與引線鍵合互連是封裝中的關(guān)鍵工序，功率器件管芯采用共晶鍵合或合金焊料焊接安裝芯片，引線互連

15、多采用鋁絲鍵合技術(shù)，工藝簡單、成本低，但存在鍵合點面積?。▊鳠岵穞差卜寄生電感大、鋁絲載流量有限、各鋁絲問電流分布不均勻、高頻電流在引線中形成的機械應(yīng)力易使其焊點撕裂或脫落等諸多問題，倒裝芯片焊球陣列凸點互連的發(fā)展改變了這一狀態(tài)。焊料凸點互連可省略芯片與基板間的引線，起電連接作用的焊點路徑短、接觸面積大、寄生電感/電容小、封裝密度高，表3示出不同互連工藝下的寄生參數(shù)比較。以沉積金屬膜為基礎(chǔ)的互連工藝在各類基板或介質(zhì)中埋置芯片，頂層再貼裝表貼元件及芯片來實現(xiàn)三維封裝，蒸鍍或濺射的金屬膜與芯片電極相連，構(gòu)成 電路圖形，并連至其他電路，能增大芯片的有效三維散熱面積，總體上有薄膜覆蓋和嵌入式封裝技術(shù)方

16、案 之分，前者可制作耐壓等級高、電流大、高效散熱的功率模塊；后者可大大縮小模塊體積，提高功率密度。7.3 封裝外殼功率模塊的封裝外殼是根據(jù)其所用的不同材料和品種結(jié)構(gòu)形式來研發(fā)的，常用散熱性好的金屬封裝外殼、塑料封裝外殼，按最終產(chǎn)品的電性能、熱性能、應(yīng)用場合、成本，設(shè)計選定其總體布局、封裝形式、結(jié)構(gòu)尺寸、材料及生產(chǎn)工藝。例如，DBC基板側(cè)向、向上、向下引腳封裝均采用腔體插入式金屬外殼，由浴盆形狀框架腔體和金屬蓋板構(gòu)成，平行縫焊封接密封封裝。為提高塑封功率模塊外觀質(zhì)量，抑制外殼變形，選取收縮率小、耐擊穿電壓高，有良好工作及軟化溫度的外殼材料，并灌封硅凝膠保護。新型的金屬基復(fù) 合材料鋁碳化硅、高硅鋁合金也是重要的功率模塊用封裝外殼材料。霾3 臺互巡工藝比較腳裳糊料AM而R!公SIS,帶?電4 fMl17*U.I等軟電MJeII0-50A，!工況附wV不裝軸中低AanH味山怏ItIIJJ0>功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、布件與布線、熱設(shè)計、分布電感量的控制、裝配模具、可靠性試驗工程、質(zhì)量保證體系等的彼此和諧發(fā)展，促進封裝技術(shù)更好地滿足功率半導(dǎo)體器件的模塊化和系統(tǒng)集成化的需求。8結(jié)束語PIC集中體現(xiàn)了 SoC