新能源车用 IGBT 模块封装技术研究

贺 坚

（株洲中车时代半导体有限公司）

摘要：

我国新能源汽车的关键零部件对外依赖程度较高，特别是在 IGBT 模块芯片方面，与先进国家技术实力相比，我国还存在明显差距。因此，相关行业人员应深入研究 IGBT 技术，推动 IGBT 技术快速进步，以使我国新能源汽车真正摆脱外国芯片。先分析新能源汽车产业现状，并指出新能源车用 IGBT 模块封装技术特征，再重点探究技术的应用与发展，以期为相关行业人员提供参考。

0 引言

在汽车领域，新能源汽车是未来发展方向，其优势在于能减少排放量，与我国节能减排的号召相适应。为推动新能源汽车产业发展，我国制定了许多优惠政策。但分析我国新能源汽车产业发展情况发现，我国新能源汽车生产需要采用部分进口零部件，尤其是 IGBT 模块，这 是 我 国新能源汽车产业发展受限的关键。 基于此，相关行业人员应深入研究新能源车用 IGBT 模块封装技术，以推动 IG-BT 技术与新能源汽车产业同步发展。

1 新能源汽车产业现状

现阶段在全球节能减排领域，新能源汽车属于重要产业，其在许多汽车大国得到重点扶持。为促进新能源汽车产业发展，我国也出台了一系列利好政策，如补贴政策、税收优惠政策、不限行政策、不限购政策、免费停车政策等。2022 年，我国新能源汽车销量超过 500 万辆，市场处于爆炸式增长状态，成为新能源汽车产销大国。 但我国新能源汽车的关键零部件对外依赖度较高，特别是在以 IGBT 模块为主的车用芯片领域，与先进国家相比，我国技术实力还存在较大差距。 在汽车成本中，IGBT 模块占比较大，例如，国产 A00 级纯电动汽车，其电驱动系统成本占比大约为 11%， 而在电控系统中，IGBT 模 块 成 本 又 占比 44%左右，如图 1 所示。 由此可知，IGBT 模块成本大概占据汽车整体成本的 5%。目前，我国致力于发展 IGBT 技术，以推动国产新能源汽车真正使用上中国芯片［1］。

2 新能源车用 IGBT 模块封装技术特征

2.1 IGBT 模块

IGBT 模块属于一种模块化半导体产品，其由 2 个部分组成，即绝缘栅双极型晶体管芯片和续流二极管芯片。通过封装构成的 IGBT 模块能在许多设备上直接使用，如变频器设备、UPS 不间断电源设备。 IGBT 模块的应用优势较多，其安装便捷、能稳定散热和有效节能。 在节能环保理念深 入推进的背景下，IGBT 模块的应用愈发广泛。 同时，在能源变换与传输系统中，IGBT 模块属于核心元件，与 CPU类似，目前在新能源装备领域应用较多。

2.2 IGBT 模块封装技术

IGBT 模块封装技术主要包括焊接式和压接式 2 类。应用焊接技术时，通常有 2 种形式，即平面封装和引线键合互联。 底板也有 2 种功能，其一是对上部模块起到支撑的功能，其二是在运动情况下起到支持上部模块散热的功能。底板主要安装在最底部，其四周连接两侧与外壳，具有保护内部构件的作用。同时，电极、基板与内部半导体芯片之间以焊接形式相连，待电极上部与外部连接完成后，可在内部倒入硅凝胶，发挥隔绝空气的作用，以免内部半导体暴露在空气中而受到腐蚀。 此外，加入硅凝胶还能实现抗震效果。由于在单片功率芯片的情况下，汽车能源需求难以满足，所以通常会采用并联多个芯片的方式，将其放置在同一基板上，再通过并联多个基板的方式，以提高功率、扩大容量。

与传统汽车相比，新能源汽车在驱动方式上存在较大不同，其主要包括电动驱动、混合动力驱动、燃料与电力融合驱动 3 种驱动方式。新能源汽车无论是在功率密度方面，还是在驱动效率方面，都具有较高要求。首先，在新能源汽车运行过程中，尤其是启动频次较多的情况下，流过 IGBT模块的电流会急剧增长，产生较高的温度。同时，在新能源汽车放置较长时间后将其启动，IGBT 模块温度也会 出现变化，进而影响其使用寿命。其次，当启动驱动方式主要为永磁同步驱动的新能源汽车时，会难免发生电机堵转的问题，流经 IGBT 模块的电流也会急剧增长，在 局 部 位置 形成高温，因而要求具备较高的散热能力。再次，新能源汽车运行在凹凸不平的道路上会出现颠簸，此时 IGBT 模块会受到振动，所以新能源汽车在引线端子上也有较高要求，要求其具备良好的机械性能。 最后，新能源汽车的车身尺寸是固定的，而在固定尺寸要求下，不仅要保证 IGBT模块功能，也要保证其质量，需要在此基础上逐渐加大功率密度，尽可能降低空间占用［2］。

3 新能源车用 IGBT 模块封装技术的应用与发展

在 IGBT 模块生产中，封装技术较为关键。 模块封装是在集成半导体分立器件的基础上，在模块内部完成封装，并实现多种功能，包括机械支撑、散热通路以及外部环境保护等。 IGBT 模块内部通常包含半导体芯片、散热基板、键合线、功率引出端子、焊接层以及封装管壳等多层结构材料。 为提高电流承载能力，半导体芯片往往以并联形式连接，并基于引线键合的方式在芯片上表面实现电气互连，基于焊接的方式使芯片下表面与绝缘陶瓷衬板相连。典型焊接式 IGBT 模块结构如图 2 所示。

有关研究证实，当 IGBT 模块处于高温、高压状态时，芯片表面键合线与焊层内部较易产生疲劳失效。通常情况下，1 个 IGBT 模块从生产到投入市场要经过 9 道工艺，包括贴片、焊接、等离子清洗、键合等。其中，封装技术的重点在于焊接与键合。

3.1 焊接技术

为使 IGBT 模块具备较强的导热性能，在焊接芯片与DBC 基板时，应确保焊接质量。目前，软钎焊接属于 主流技术，而未来预计将发展为低温连接技术。

3.1.1 软钎焊接技术

在 IGBT 模块的封装过程中，软钎焊接技术被广泛采用。这项技术主要利用真空回流焊接技术连接各种电气元件，如半导体芯片、陶瓷衬板和基板等。 在软钎焊 接过程中，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。 使用焊膏焊接时，需要使用助焊剂，并在焊接完成后进行清洗处理，这种方式容易受到 潮湿环境的影响。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清洗，焊层更均匀，但这种方法所需的焊接设备较为复杂，焊接时需要使用特制的夹具来定位焊片和焊接件。 现阶段软钎焊接技术发展趋于成熟，在模块封装过程的应用较为广泛。 但与进口模块相比，国产模块在一致性与可靠性上还存在一定差距，这也是国产新能源汽车企业不使用国产模块的根本所在。

3.1.2 低温连接技术

SiC 模块出现后对焊接技术的要求更严格，需要有效提高焊接工艺可靠性，所以开始运用低温连接技术，其代表工艺为银烧结工艺。 与软钎焊接技术相比，该技术具有显著的应用优势。 应用低温连接技术时，其连接层具有 2 个特性，即较高热导率和电导率。以银为例，由于银的熔点在900 ℃以上，所以针对银烧结层，最 高 工作 温 度可 控 制 在700 ℃左右。与普通焊层相比，银烧结层厚度较薄，仅为普通焊层的 50%～80%左右，而且与普通软钎焊层相比，银烧结层的电导率、热导率更高，高出 5 倍左右，所以银烧结层既具有良好的功率循环能力，也具有良好的温度循环能力。但这项技术的实施难度较大，加之设备、银粉成本较高，需要精确设定工艺参数，因而阻碍着技术商业化发展进 程 。国 外 先 进 汽 车 企 业 （如 英 飞 凌 、三 菱 ）已 在部 分 IGBT 模块焊接过程运用低温银烧结工艺，我国目前也在努力实现低温连接技术的规模化应用［3］。

3.2 键合技术

IGBT 模块内部存在许多并联连接的芯片，其上方发射级与二极管芯片阳极连接，两者连接方式以引线键合为主。同时，半导体芯片、绝缘衬板以及个别功率端子的连接也采用键合线形式，并通过引线键合作用形成完整的电路结构。 因此，在 IGBT 模块电流回路中，键合线尤为关键，其能起到有效连接的作用。 现阶段 IGBT 模块内部的键合线种类较多，包括铜线、铝线、铝包铜心线等。

3.2.1 铝线键合

铝线键合工艺的应用较为广泛，其根本原因在于应用成本较低，这也是铝线键合工艺的突出优势。 但铝线也存在不足之处，如热学特性较差、导电性能较差等，尤其在热碰撞性能上，铝线与半导体芯片之间难以匹配，会出现热应力聚集，导致键合线开裂和 IGBT 模块失效。 通过优化铝 键 合 线 形 状 、完 善键 合 工 艺 参 数等 方式 ，能 提升 IGBT模块的可靠性，但提升程度也受限。 将铝键合线模块应用于部分高功率新能源车辆电驱动系统中，通常难以满足要求。目前，铝线键合工艺已在我国模块封装中使用，与国外工艺相比，并未出现明显的技术差距。

3.2.2 铜线键合

与铝线相比，铜线的力学特性、热学特性以及电学特性更优。基于铜线键合方式，可使键合工艺的可靠性更强，尤其是在功率密度较高、散热效率较高的功率模块上采用铜线键合方式，能显著提升功率循环能力。因此，其在未来有望成为典型技术形式。铝线键合性能与铜线键合性能之间的区别如表 1 所列。

由表 1 可知，与铝线相比，铜线的功率循环能力能高出 10 倍左右，但因半导体芯片表面的金属化层会对铜线键合的应用造成影响，铜键合线无法与以铝金属化层为基础的半导体芯片良好匹配。为使半导体芯片表面适应铜线键合，往往要采取铜金属化处理措施，如运用化学电镀方式、物理气相沉积方式等来实现，这增加了工艺的复杂性。同时，与铝相比，铜的硬度和杨氏模量都较大，为保证键合效果，对超声能量的要求更高，而这难免损伤超薄型 IGBT芯片，甚至可能导致芯片内部的元胞结构直接被损坏。 目前，铜线键合技术已在国外部分汽车企业的高性能模块中使用，而我国主要应用功率较低、性能较低的模块，并未广泛使用铜线键合工艺。 因此，为推动国产模块性能高质量发展，应攻克键合技术难点问题，将国外先进技术壁垒打破［4］。

通过分析模块封装工艺的 2 大关键技术（即焊接技术与键合技术）可知，在目前的 IGBT 模块领域中，我国模块封装企业在技术上还存在一定不足。在国产模块的制造过程中，由于难以实现对质量的有效控制，国产模块无论是一致性还是可靠性都较差。 只有在 A00 级纯电动车这种低端汽车生产中，才会选择国产模块，而高端新能源汽车，目前对国产模块并不信任。 因此，现阶段一方面应优化IGBT模块制造工艺，采用先进技术，如离子注入技术、精细光刻技术等，通过缩小芯片尺寸、硅片尺寸，促进硅片切割利用率提升，降低 IGBT 模块制造成本；另一方面 应 优化 模 块封装技术，在芯片技术成熟发展的背景下，芯片工作温度会逐渐升高、热功率密度会逐渐加大，所以需要不断改进IGBT 模块封装技术，以提升芯片焊接的可靠性，降低热阻。例如，无绑 定线键合、双面 冷 却 、集 成 电 流 与 温 度 传 感器等不仅能提高 IGBT 模块的功率循环频次，还能有效降低引线电感。

4 结语

为突破销量，我国模块封装产业还应努力积累技术实力，在深入研究新能源车用 IGBT 模块封装技术的基础上，生产性能更高的 IGBT 模块。 同时，我 国新能源汽车企业也应信任、支持国产模块。对于模块封装企业而言，应掌握模块封装焊接技术、键合技术，推动自身转型，实现高端化发展。