賀 堅(jiān)

（株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司）

摘要：

我國新能源汽車的關(guān)鍵零部件對外依賴程度較高，特別是在 IGBT 模塊芯片方面，與先進(jìn)國家技術(shù)實(shí)力相比，我國還存在明顯差距。因此，相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)深入研究 IGBT 技術(shù)，推動(dòng) IGBT 技術(shù)快速進(jìn)步，以使我國新能源汽車真正擺脫外國芯片。先分析新能源汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，并指出新能源車用 IGBT 模塊封裝技術(shù)特征，再重點(diǎn)探究技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，以期為相關(guān)行業(yè)人員提供參考。

引言

在汽車領(lǐng)域，新能源汽車是未來發(fā)展方向，其優(yōu)勢在于能減少排放量，與我國節(jié)能減排的號(hào)召相適應(yīng)。為推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國制定了許多優(yōu)惠政策。但分析我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況發(fā)現(xiàn)，我國新能源汽車生產(chǎn)需要采用部分進(jìn)口零部件，尤其是 IGBT 模塊，這 是 我 國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限的關(guān)鍵?；诖?，相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)深入研究新能源車用 IGBT 模塊封裝技術(shù)，以推動(dòng) IG-BT 技術(shù)與新能源汽車產(chǎn)業(yè)同步發(fā)展。

1新能源汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段在全球節(jié)能減排領(lǐng)域，新能源汽車屬于重要產(chǎn)業(yè)，其在許多汽車大國得到重點(diǎn)扶持。為促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國也出臺(tái)了一系列利好政策，如補(bǔ)貼政策、稅收優(yōu)惠政策、不限行政策、不限購政策、免費(fèi)停車政策等。2022 年，我國新能源汽車銷量超過 500 萬輛，市場處于爆炸式增長狀態(tài)，成為新能源汽車產(chǎn)銷大國。但我國新能源汽車的關(guān)鍵零部件對外依賴度較高，特別是在以 IGBT 模塊為主的車用芯片領(lǐng)域，與先進(jìn)國家相比，我國技術(shù)實(shí)力還存在較大差距。在汽車成本中，IGBT 模塊占比較大，例如，國產(chǎn) A00 級(jí)純電動(dòng)汽車，其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本占比大約為 11%， 而在電控系統(tǒng)中，IGBT 模 塊 成 本 又 占比 44%左右，如圖 1 所示。由此可知，IGBT 模塊成本大概占據(jù)汽車整體成本的 5%。目前，我國致力于發(fā)展 IGBT 技術(shù)，以推動(dòng)國產(chǎn)新能源汽車真正使用上中國芯片［1］。

2 新能源車用 IGBT 模塊封裝技術(shù)特征

2.1 IGBT 模塊

IGBT 模塊屬于一種模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，其由 2 個(gè)部分組成，即絕緣柵雙極型晶體管芯片和續(xù)流二極管芯片。通過封裝構(gòu)成的 IGBT 模塊能在許多設(shè)備上直接使用，如變頻器設(shè)備、UPS 不間斷電源設(shè)備。 IGBT 模塊的應(yīng)用優(yōu)勢較多，其安裝便捷、能穩(wěn)定散熱和有效節(jié)能。在節(jié)能環(huán)保理念深 入推進(jìn)的背景下，IGBT 模塊的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。同時(shí)，在能源變換與傳輸系統(tǒng)中，IGBT 模塊屬于核心元件，與 CPU類似，目前在新能源裝備領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2.2 IGBT 模塊封裝技術(shù)

IGBT 模塊封裝技術(shù)主要包括焊接式和壓接式 2 類。應(yīng)用焊接技術(shù)時(shí)，通常有 2 種形式，即平面封裝和引線鍵合互聯(lián)。底板也有 2 種功能，其一是對上部模塊起到支撐的功能，其二是在運(yùn)動(dòng)情況下起到支持上部模塊散熱的功能。底板主要安裝在最底部，其四周連接兩側(cè)與外殼，具有保護(hù)內(nèi)部構(gòu)件的作用。同時(shí)，電極、基板與內(nèi)部半導(dǎo)體芯片之間以焊接形式相連，待電極上部與外部連接完成后，可在內(nèi)部倒入硅凝膠，發(fā)揮隔絕空氣的作用，以免內(nèi)部半導(dǎo)體暴露在空氣中而受到腐蝕。此外，加入硅凝膠還能實(shí)現(xiàn)抗震效果。由于在單片功率芯片的情況下，汽車能源需求難以滿足，所以通常會(huì)采用并聯(lián)多個(gè)芯片的方式，將其放置在同一基板上，再通過并聯(lián)多個(gè)基板的方式，以提高功率、擴(kuò)大容量。

與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車在驅(qū)動(dòng)方式上存在較大不同，其主要包括電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、燃料與電力融合驅(qū)動(dòng) 3 種驅(qū)動(dòng)方式。新能源汽車無論是在功率密度方面，還是在驅(qū)動(dòng)效率方面，都具有較高要求。首先，在新能源汽車運(yùn)行過程中，尤其是啟動(dòng)頻次較多的情況下，流過 IGBT模塊的電流會(huì)急劇增長，產(chǎn)生較高的溫度。同時(shí)，在新能源汽車放置較長時(shí)間后將其啟動(dòng)，IGBT 模塊溫度也會(huì) 出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響其使用壽命。其次，當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式主要為永磁同步驅(qū)動(dòng)的新能源汽車時(shí)，會(huì)難免發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)的問題，流經(jīng) IGBT 模塊的電流也會(huì)急劇增長，在 局 部 位置 形成高溫，因而要求具備較高的散熱能力。再次，新能源汽車運(yùn)行在凹凸不平的道路上會(huì)出現(xiàn)顛簸，此時(shí) IGBT 模塊會(huì)受到振動(dòng)，所以新能源汽車在引線端子上也有較高要求，要求其具備良好的機(jī)械性能。最后，新能源汽車的車身尺寸是固定的，而在固定尺寸要求下，不僅要保證 IGBT模塊功能，也要保證其質(zhì)量，需要在此基礎(chǔ)上逐漸加大功率密度，盡可能降低空間占用［2］。

3 新能源車用 IGBT 模塊封裝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

在 IGBT 模塊生產(chǎn)中，封裝技術(shù)較為關(guān)鍵。模塊封裝是在集成半導(dǎo)體分立器件的基礎(chǔ)上，在模塊內(nèi)部完成封裝，并實(shí)現(xiàn)多種功能，包括機(jī)械支撐、散熱通路以及外部環(huán)境保護(hù)等。 IGBT 模塊內(nèi)部通常包含半導(dǎo)體芯片、散熱基板、鍵合線、功率引出端子、焊接層以及封裝管殼等多層結(jié)構(gòu)材料。為提高電流承載能力，半導(dǎo)體芯片往往以并聯(lián)形式連接，并基于引線鍵合的方式在芯片上表面實(shí)現(xiàn)電氣互連，基于焊接的方式使芯片下表面與絕緣陶瓷襯板相連。典型焊接式 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

有關(guān)研究證實(shí)，當(dāng) IGBT 模塊處于高溫、高壓狀態(tài)時(shí)，芯片表面鍵合線與焊層內(nèi)部較易產(chǎn)生疲勞失效。通常情況下，1 個(gè) IGBT 模塊從生產(chǎn)到投入市場要經(jīng)過 9 道工藝，包括貼片、焊接、等離子清洗、鍵合等。其中，封裝技術(shù)的重點(diǎn)在于焊接與鍵合。

3.1 焊接技術(shù)

為使 IGBT 模塊具備較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，在焊接芯片與DBC 基板時(shí)，應(yīng)確保焊接質(zhì)量。目前，軟釬焊接屬于 主流技術(shù)，而未來預(yù)計(jì)將發(fā)展為低溫連接技術(shù)。

3.1.1 軟釬焊接技術(shù)

在 IGBT 模塊的封裝過程中，軟釬焊接技術(shù)被廣泛采用。這項(xiàng)技術(shù)主要利用真空回流焊接技術(shù)連接各種電氣元件，如半導(dǎo)體芯片、陶瓷襯板和基板等。在軟釬焊 接過程中，常 用的 焊料 包括 AnSn、SnPb、PbSnAg 等 ，焊料 可以 以焊膏或焊片的形式使用。使用焊膏焊接時(shí)，需要使用助焊劑，并在焊接完成后進(jìn)行清洗處理，這種方式容易受到 潮濕環(huán)境的影響。相比之下，使用焊片焊接通常無需助焊劑，焊接完成后也不需要清洗，焊層更均勻，但這種方法所需的焊接設(shè)備較為復(fù)雜，焊接時(shí)需要使用特制的夾具來定位焊片和焊接件?，F(xiàn)階段軟釬焊接技術(shù)發(fā)展趨于成熟，在模塊封裝過程的應(yīng)用較為廣泛。但與進(jìn)口模塊相比，國產(chǎn)模塊在一致性與可靠性上還存在一定差距，這也是國產(chǎn)新能源汽車企業(yè)不使用國產(chǎn)模塊的根本所在。

3.1.2 低溫連接技術(shù)

SiC 模塊出現(xiàn)后對焊接技術(shù)的要求更嚴(yán)格，需要有效提高焊接工藝可靠性，所以開始運(yùn)用低溫連接技術(shù)，其代表工藝為銀燒結(jié)工藝。與軟釬焊接技術(shù)相比，該技術(shù)具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。應(yīng)用低溫連接技術(shù)時(shí)，其連接層具有 2 個(gè)特性，即較高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。以銀為例，由于銀的熔點(diǎn)在900 ℃以上，所以針對銀燒結(jié)層，最 高 工作 溫 度可 控 制 在700 ℃左右。與普通焊層相比，銀燒結(jié)層厚度較薄，僅為普通焊層的 50%～80%左右，而且與普通軟釬焊層相比，銀燒結(jié)層的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率更高，高出 5 倍左右，所以銀燒結(jié)層既具有良好的功率循環(huán)能力，也具有良好的溫度循環(huán)能力。但這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施難度較大，加之設(shè)備、銀粉成本較高，需要精確設(shè)定工藝參數(shù)，因而阻礙著技術(shù)商業(yè)化發(fā)展進(jìn) 程 。國 外 先 進(jìn) 汽 車 企 業(yè) （如 英 飛 凌 、三 菱 ）已 在部 分 IGBT 模塊焊接過程運(yùn)用低溫銀燒結(jié)工藝，我國目前也在努力實(shí)現(xiàn)低溫連接技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用［3］。

3.2 鍵合技術(shù)

IGBT 模塊內(nèi)部存在許多并聯(lián)連接的芯片，其上方發(fā)射級(jí)與二極管芯片陽極連接，兩者連接方式以引線鍵合為主。同時(shí)，半導(dǎo)體芯片、絕緣襯板以及個(gè)別功率端子的連接也采用鍵合線形式，并通過引線鍵合作用形成完整的電路結(jié)構(gòu)。因此，在 IGBT 模塊電流回路中，鍵合線尤為關(guān)鍵，其能起到有效連接的作用?，F(xiàn)階段 IGBT 模塊內(nèi)部的鍵合線種類較多，包括銅線、鋁線、鋁包銅心線等。

3.2.1 鋁線鍵合

鋁線鍵合工藝的應(yīng)用較為廣泛，其根本原因在于應(yīng)用成本較低，這也是鋁線鍵合工藝的突出優(yōu)勢。但鋁線也存在不足之處，如熱學(xué)特性較差、導(dǎo)電性能較差等，尤其在熱碰撞性能上，鋁線與半導(dǎo)體芯片之間難以匹配，會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力聚集，導(dǎo)致鍵合線開裂和 IGBT 模塊失效。通過優(yōu)化鋁 鍵 合 線 形 狀 、完 善鍵 合 工 藝 參 數(shù)等 方式 ，能 提升 IGBT模塊的可靠性，但提升程度也受限。將鋁鍵合線模塊應(yīng)用于部分高功率新能源車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通常難以滿足要求。目前，鋁線鍵合工藝已在我國模塊封裝中使用，與國外工藝相比，并未出現(xiàn)明顯的技術(shù)差距。

3.2.2 銅線鍵合

與鋁線相比，銅線的力學(xué)特性、熱學(xué)特性以及電學(xué)特性更優(yōu)?；阢~線鍵合方式，可使鍵合工藝的可靠性更強(qiáng)，尤其是在功率密度較高、散熱效率較高的功率模塊上采用銅線鍵合方式，能顯著提升功率循環(huán)能力。因此，其在未來有望成為典型技術(shù)形式。鋁線鍵合性能與銅線鍵合性能之間的區(qū)別如表 1 所列。

由表 1 可知，與鋁線相比，銅線的功率循環(huán)能力能高出 10 倍左右，但因半導(dǎo)體芯片表面的金屬化層會(huì)對銅線鍵合的應(yīng)用造成影響，銅鍵合線無法與以鋁金屬化層為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片良好匹配。為使半導(dǎo)體芯片表面適應(yīng)銅線鍵合，往往要采取銅金屬化處理措施，如運(yùn)用化學(xué)電鍍方式、物理氣相沉積方式等來實(shí)現(xiàn)，這增加了工藝的復(fù)雜性。同時(shí)，與鋁相比，銅的硬度和楊氏模量都較大，為保證鍵合效果，對超聲能量的要求更高，而這難免損傷超薄型 IGBT芯片，甚至可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部的元胞結(jié)構(gòu)直接被損壞。目前，銅線鍵合技術(shù)已在國外部分汽車企業(yè)的高性能模塊中使用，而我國主要應(yīng)用功率較低、性能較低的模塊，并未廣泛使用銅線鍵合工藝。因此，為推動(dòng)國產(chǎn)模塊性能高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)攻克鍵合技術(shù)難點(diǎn)問題，將國外先進(jìn)技術(shù)壁壘打破［4］。

通過分析模塊封裝工藝的 2 大關(guān)鍵技術(shù)（即焊接技術(shù)與鍵合技術(shù)）可知，在目前的 IGBT 模塊領(lǐng)域中，我國模塊封裝企業(yè)在技術(shù)上還存在一定不足。在國產(chǎn)模塊的制造過程中，由于難以實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量的有效控制，國產(chǎn)模塊無論是一致性還是可靠性都較差。只有在 A00 級(jí)純電動(dòng)車這種低端汽車生產(chǎn)中，才會(huì)選擇國產(chǎn)模塊，而高端新能源汽車，目前對國產(chǎn)模塊并不信任。因此，現(xiàn)階段一方面應(yīng)優(yōu)化IGBT模塊制造工藝，采用先進(jìn)技術(shù)，如離子注入技術(shù)、精細(xì)光刻技術(shù)等，通過縮小芯片尺寸、硅片尺寸，促進(jìn)硅片切割利用率提升，降低 IGBT 模塊制造成本；另一方面 應(yīng) 優(yōu)化 模 塊封裝技術(shù)，在芯片技術(shù)成熟發(fā)展的背景下，芯片工作溫度會(huì)逐漸升高、熱功率密度會(huì)逐漸加大，所以需要不斷改進(jìn)IGBT 模塊封裝技術(shù)，以提升芯片焊接的可靠性，降低熱阻。例如，無綁 定線鍵合、雙面 冷 卻 、集 成 電 流 與 溫 度 傳 感器等不僅能提高 IGBT 模塊的功率循環(huán)頻次，還能有效降低引線電感。

4 結(jié)語

為突破銷量，我國模塊封裝產(chǎn)業(yè)還應(yīng)努力積累技術(shù)實(shí)力，在深入研究新能源車用 IGBT 模塊封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)性能更高的 IGBT 模塊。同時(shí)，我 國新能源汽車企業(yè)也應(yīng)信任、支持國產(chǎn)模塊。對于模塊封裝企業(yè)而言，應(yīng)掌握模塊封裝焊接技術(shù)、鍵合技術(shù)，推動(dòng)自身轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)高端化發(fā)展。

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