功率模塊封裝
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
功率模塊封裝的視頻教程
封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析
適用人群：電子產品散熱設計的企業, 尤其是涉及封裝基板和PCB板的企業相關工程師 封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析【已結束】 直播時間：2019-11-05 20:00 作為新一代的電子散熱仿真工具, AEDT-Icepak更加偏重于電和熱的耦合, 也更加適合于電工程師的操作習慣, 產品一經推出
免費 56分鐘 764播放
查看
功率模塊封裝的實例教程
隨著傳統的 Si 基半導體被寬禁帶的第三代半導體(如 SiC 和 GaN)逐步替代，電力電子器件向高電壓、大電流、小尺寸和高輸出功率方向快速發展。高功率密度對功率模塊封裝和封裝材料提出了更高的要求，特別是脆性的陶瓷基板材料。功率模塊的結構如圖 1 所示，陶瓷基板位于裝配有半導體芯片的電路和散熱器(金屬)之間，起著絕緣、散熱和支持保護的作用。
圖1.功率模塊和金屬化陶瓷基板示意圖。
Al2O3、 AlN 和Si3N4 是三種常用的陶瓷基板材料，表1總結了三種材料的性能。Al2O3 陶瓷價格便宜，工藝最成熟，但熱導率低和力學性能差使其無法滿足新一代功率模塊的要求。
表1.Al2O3、 AlN 和 Si3N4 三種陶瓷基板材料的性能。
AlN陶瓷的熱導率高(＞200 W·m-1K-1)，但力學性能較差，難以承受功率模塊運行過程中產生的熱應力， 僅 7 次-40~250 ℃熱循環測試后陶瓷與覆銅金屬的界面處就產生裂紋，導致銅片脫落(圖 2)，嚴重影響功率模塊的可靠性。
圖2.(a)Si3N4覆銅基板 1000 次-40~250 ℃熱循環后的外觀，(b)AlN 覆銅基板 7 次-40~250 ℃熱循環后的外觀，(c)Cu 板分層脫落的側視圖((b)中白色圓圈內。
與之形成鮮明對比的是，兼具優異力學性能和高熱導率的 Si3N4 陶瓷，經歷 1000 次熱循環測試后，仍與銅片結合良好。因此，Si3N4 陶瓷成為最具潛力的功率模塊封裝用陶瓷基板材料而備受關注。
展開 美國GE公司的全球研究中心設計了一種疊層母線結構，構造與模塊重疊并聯的傳導路徑，使回路電感降至4.5 nH。德國賽米控公司采用納米銀燒結和SKiN布線技術，研發出SiC功率模塊的高溫、低感封裝方法。德國英飛凌公司采用壓接連接技術，研制出高壓SiC功率模塊。德國Fraunholfer研究所采用3D集成技術研制出高溫（200 ℃）、低感（≤1 nH） SiC功率模塊。瑞士ABB公司采用3D封裝布局，研制出大功率低感SiC功率模塊。瑞士ETH采用緊湊化設計，優化功率回路，研制出寄生電感≤1 nH的低電感SiC功率模塊［
14
］。日本尼桑公司基于雙層直接敷銅板（direct bonded copper， DBC）封裝，研制出低感SiC功率模塊，應用于車用電機控制器。
上述碳化硅的優良特性，只有通過模塊封裝布局的可靠性設計、封裝材料的選型、參數的優化、信號的高效和封裝工藝的改善，才能得以充分發揮。
本文提出的解決方案討論
本文中重點聚焦典型封裝結構下，低雜散參數、雙面散熱模塊下緩沖層的影響和功率模塊失效機理等關鍵技術內容的梳理總結，最后展望了未來加壓燒結封裝技術和材料的發展。
1 模塊封裝形式
隨著新興戰略產業的發展對第3代寬禁帶功率半導體碳化硅材料和芯片的應用需求，國內外模塊封裝技術也得到迅速發展，追求低雜散參數、小尺寸的封裝技術成為封裝的密切關注點，國內外科研團隊和半導體產業設計了結構各異的高性能功率模塊，提升了SiC基控制器的性能。
（1） 傳統封裝：Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用傳統Si基封裝方式，功率等級較低，含有金屬鍵合線，雜散電感較大。
展開 功率模塊是電動汽車逆變器的核心部件，其封裝技術對系統性能和可靠性有著至關重要的影響。
傳統的單面冷卻功率模塊一直是汽車應用中最常見的封裝結構之一。傳統的IGBT功率模塊主要由IGBT芯片，氧化鋁覆銅陶瓷基板，封裝互連材料，鍵合線，電連接端子等組成
圖1傳統單面冷卻IGBT封裝結構
行業痛點——散熱問題
隨著功率電子器件正向高密度化，大功率，小型化發展，大規模運用電子器件給我們的生活帶來便利的同時，越來越高功率使得電子器件的散熱問題愈發嚴重。因此散熱是一項非常關鍵的技術，散熱性能的好壞直接影響著產品的性能和壽命。
1）在器件封裝中，由于封裝材料不同，其封裝材料的熱膨脹系數的差異，導致器件出現不同程度的形變和熱應力積累，最終導致如焊線脫離、焊料分層、塑封體開裂分層等失效問題; 溫度的升高也會降低器件的性能，帶來電流的載荷能力和柵壓影響等問題。傳統單面散熱的功率芯片損耗產生的熱量通過絕緣基板、底板單方向傳導至散熱器。這種方式雖然能夠解決一定的散熱需求，但并不能解決一些大熱量的散熱需求。采用單面散熱方案，傳熱通道有限，熱阻較大，造成芯片與散熱面的溫差大，在長期使用過程中，芯片容易因溫度過高而燒毀。
2）在傳統的功率模塊封裝中，功率半導體器件的頂部僅用于電氣連接，而底部通常連接到DBC(直接鍵合銅)襯底，用于電氣連接和傳熱。
展開 國產氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，提升新能源汽車五項重要性能
一、Si3N4-AMB工藝氮化硅陶瓷基板是SiC汽車電子功率器件模塊封裝理想之選
當前，半導體電子器件行業廣泛應用的陶瓷基板，按照基板材料劃分主要有氧化鋁陶瓷基板(Al2O3)、氮化鋁陶瓷基板(AlN)和氮化硅陶瓷基板(Si3N4)三種。
▲氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板三種材料性能對比
其中，氧化鋁陶瓷基板最常用，主要采用DBC工藝，氧化鋁陶瓷基板其制造工藝成熟，并且成本低廉，在中低端領域有較大的市場需求。但是氧化鋁陶瓷基板導熱性差，驟冷驟熱循環次數僅僅200余次，跟不上新能源電動汽車等等第三代大功率半導體的發展。
氮化鋁陶瓷基板導熱率較高，DBC和AMB兩種工藝都有采用，氮化鋁陶瓷基板的導熱性好，且與第三代大功率半導體材料有很好的匹配性，但是氮化鋁陶瓷基板機械性能和抗熱震性能差，影響半導體器件可靠性，且使用成本較高。
氮化硅陶瓷基板綜合性能優異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，氮化硅陶瓷基板在導熱性、高機械強度、低膨脹系數、抗氧化性能、熱腐蝕性能、摩擦系數等方面具有優異的性能。它的理論熱導率高達400W/（m.k），熱膨脹系數約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性，使氮化硅陶瓷基板成為非常有吸引力的高強度、高導熱性能，完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的第三代大功率半導體電子器件基板材料封裝要求。
展開 3、當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，新能源電動汽車縮短充電時間
充電時間長短是評價一輛新能源電動汽車性能體驗感的重要參數，當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊高擊穿電場強度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，可在800V及以上的高壓平臺上搭配350kW以上超級充電樁，以提升充電速度，縮短充電時長。
4、當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，有助于新能源電動汽車輕量化
當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊增強電氣和機械性能以及可靠性，能夠實現高頻開關，減少濾波器，變壓器、電容、電感等無源器件的使用，從而減少系統體系和重量，相同功率等級下實現封裝體積尺寸更小。同時，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊且具有良好的熱導率，可以使器件模塊工作于較高的環境溫度中，從而減少散熱器體積和重量。SiC可以降低開關與導通損耗，使系統效率提升，同樣續航范圍內，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。
5、當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，新能源電動汽車降低電池成本
充電功率相同的情況下，當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊實現新能源電動汽車在800V高壓快充架構下的高壓線束直徑更小，相應成本更低；氮化硅陶瓷基板升級SiC碳化硅功率模塊高熱導率實現新能源電動汽車電池散熱的更少，相對降低電池熱管理難度，進一步降低電池整體成本。
展開 
功率模塊封裝的相關專題、標簽、搜索
功率模塊封裝的最新內容
長期致力于高頻高密度電力電子變換技術、寬禁帶器件及功率模塊封裝集成與應用等方向研究。現任中國電源學會競賽委員會副主任委員、磁技術專委會副主任委員等職務，并擔任IEEE Transactions on Power Electronics Letters聯合主編、CPSS Transactions on Power Electronics and Applications編委。
智能手表的出現，不僅各種豐富多樣的功能滿足用戶需求，時尚設計的外觀也很得用戶青睞。智能手表在健康追蹤、運動記錄、日常提醒等方面表現突出，如今已經成為很多人生活中常備的一款經典消費電子產品。
智能手表是一個集硬件和軟件于一體的系統，主要依賴于各類傳感器收集用戶活動及生理數據，并通過無線通信技術與智能手機或其他設備連接同步并推送消息、郵件、電話等信息，同時提供健康管理、運動追蹤、支付等多種服務。
Moldex3D毛細底部填膠模塊 (Moldex3D Underfill) 可模擬毛細流動，此現象是受到倒裝芯片底部填膠在點膠制程中底膠材料表面張力，及底膠材料、錫球與基板之間的接觸角度影響。Moldex3D覆晶封裝底部填膠模塊允許用戶輸入實際的點膠制程，并預測底部點膠制程中的氣孔位置，以大幅提高生產力。
Moldex3D毛細底部填膠模塊仿真是在 Moldex3D 「封裝」模塊中建立的。「毛細底部填膠
APSME 2025 亞洲國際功率半導體、材料及裝備技術展覽會匯聚全球優質品牌廠商齊聚現場，打造功率半導體全產業鏈創新展示、一站式采購及技術交流平臺，集中展示半導體器件、功率模塊、材料、封裝技術、測試技術、生產設備、散熱管理等熱門產品，致力于先進半導體器件、封裝測試、工藝流程、創新應用及產業鏈間的合作，為上游及材料設備搭建交流協作的橋梁。
鼎龍運用在新型顯示PI材料領域的豐富經驗，實現了半導體封裝PI關鍵樹脂的自主研發生產，產品全面覆蓋非光敏PI、正性PSPI和負性 PSPI，滿足前道IGBT功率模塊封裝和后道半導體先進封裝需求。目前，多款型號產品已經在多家晶圓制造客戶端同時驗證，客戶反饋結果良好。
瑞森半導體（REASUNOS）推出應用在5W-18W LED電源上的LED驅動模塊RSC6218A。
LED驅動模塊RSC6218A小功率、小體積、高效率，應用在5W-18W LED電源上
LED驅動模塊RSC6218A是一款LLC 諧振拓撲功率模塊，帶有半橋驅動的控制電路和功率轉化器件，適用于 LED 恒流控制線路，電路工作頻率可達200KHz。采用絕緣體上硅SOI及BCD
2）在傳統的功率模塊封裝中，功率半導體器件的頂部僅用于電氣連接，而底部通常連接到DBC(直接鍵合銅)襯底，用于電氣連接和傳熱。由于易于使用和生產成本低，引線鍵合一直是功率模塊封裝中使用的互連方法。然而，這種非對稱封裝結構存在寄生電參數大、熱應力作用下模具彎曲等一系列缺陷。
英飛凌等功率模塊廠商通過改進封裝設計和工藝，提高焊接結合界面的可靠性，有效解決了銅材基板材料的熱循環可靠性問題。采用銅材散熱基板封裝的功率模塊，可經歷上千次熱循環后焊接面仍無明顯退化，達到了車規級功率模塊的要求，加之銅材熱導率高于鋁碳化硅，工藝成本較低，因此銅材已取代鋁碳化硅成為制作散熱基板的主流材料。
除銅和鋁碳化硅外，亦有少數廠商使用鋁材制作散熱基板。
公司主營產品有：氮化硅陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、高純氮化鋁粉、氮化鋁造粒粉、氮化鋁大粒徑填料粉、氮化鋁球型填料粉；產品廣泛應用于芯片、功率模塊、高端封裝、射頻/微波等元器件，為5G通訊、光伏、電子電力、新能源汽車及航天航空等高端領域起到關鍵散熱作用。
IGBT功率模塊的封裝結構如下圖所示。
它是一種類似的三明治式包裝結構。IGBT功率模塊包含芯片、焊料層、MoCu層、DBC基板和模塑化合物等。芯片由納米銀燒結在底部DBC基板的銅層上。燒結層提供芯片、DBC基板和模塊外部之間的電連接。
某型號對稱結構的雙面散熱IGBT模塊如下圖所示。
