功率模塊封裝的案例
功率模塊封裝用高熱導率Si3N4陶瓷的研究進展
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 哈爾濱理工大學蔡蔚教授團隊研究成果：SiC 功率模塊封裝技術及展望
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［
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］。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 功率模塊雙面散熱介紹
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
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 
當國產氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，中國新能源汽車開啟性能狂飆模式
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 碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”
2.5D 和 3D 模塊封裝結構
為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的 2.5D 和3D 模塊封裝結構被開發出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在 2.5D 結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉接板中的金屬連線實現，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉接板常被用于該結構，圖 4[7]為一種 2.5D 模塊封裝結構。
而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現垂直互連，圖 5[8]是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現金屬和芯片間的互連，如圖 5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于 5 mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。
圖6[9]是另一種 3D 模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。
02
功率器件散熱方面高要求帶來的問題
SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si 功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因為不同封裝材料的熱膨脹系數（CTE）失配以及界面處存在的熱應力帶來可靠性問題。
展開 碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”
而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現垂直互連，圖 5[8]是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現金屬和芯片間的互連，如圖 5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于 5 mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。
圖6[9]是另一種 3D 模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。
02
功率器件散熱方面高要求帶來的問題
SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si 功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因為不同封裝材料的熱膨脹系數（CTE）失配以及界面處存在的熱應力帶來可靠性問題。
傳統的硅基功率模塊工作溫度一般低于 175 ℃，而碳化硅功率模塊會工作在更高的溫度下和更大的電場下，因此對封裝材料在熱電可靠性方面提出了更高的要求。
展開 功率器件封裝結構熱設計綜述
華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室
原位 | DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230136
摘要：半導體技術的進步使得芯片的尺寸得以不斷縮小，倒逼著封裝技術的發展和進步，也由此產生了各種各樣的封裝 形式。當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 車規級功率半導體模塊散熱基板行業基本情況及發展趨勢
以英飛凌代表性的 HybridPACK?系列功率模塊為例，從基板材料和生產工藝角度，其配套的針式散熱基板已經經歷了四次演變，具體過程如下：
如上表，從基板材料看，散熱基板經歷了從鋁碳化硅到銅粉、銅塊的演進；從生產工藝看，散熱基板經歷了從粉末冶金到熱精密鍛造，再到冷精密鍛造的演進。隨著產品階段的演進，散熱基板性能逐漸優化，產品性價比逐步提高。
1）基板材料
散熱基板作為整個功率模塊的力學支撐與重要的散熱通道，對其綜合性能有較高要求，需要具備高熱導率、與芯片及覆銅陶瓷基板相近的熱膨脹系數和一定的硬度，同時還要兼具性價比。目前車規級功率模塊散熱基板材料主要包括銅、鋁碳化硅和鋁等，各材料主要情況如下：
熱導率與熱膨脹系數是散熱基板最重要的兩項性能指標。熱導率越高，材料導熱性能越好。此外，由于功率模塊由不同材料封裝而成，芯片、覆銅陶瓷基板、散熱基板等具有不同的熱膨脹系數，高溫條件下具有不同熱膨脹系數的材料會在結合界面產生熱應力，當熱應力超過材料的極限閾值，將會導致材料結合界面斷裂或損傷，因此散熱基板需要具有與芯片、覆銅陶瓷基板相接近的熱膨脹系數，以提高模塊熱循環可靠性。
在早期，由于鋁碳化硅熱膨脹系數相比銅更接近芯片和覆銅陶瓷基板，可有效避免結合界面的熱應力，減少材料斷裂和損傷，提高功率模塊可靠性，因此在散熱基板發展早期階段得到了運用，但鋁碳化硅制作工藝復雜、成本較高，熱導率較低。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。
展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
本章將以兩級結構電機驅動中DC/DC變換器（Boost變換器）為應用平臺，并以電動汽車中的電機散熱環境（環境溫度80℃）作為主要溫度條件，進行SiC MOSFET功率模塊的電路設計、熱設計、和硅IGBT性能對比、并聯芯片數量優化等方面的研究。
功率模塊的構成
從模塊基本框架上來說，功率模塊主要由圖5.1中幾個部分構成，底部基板、陶瓷襯底（DBC）、器件、密封膠、導電端子（銅支架）、塑料外殼（沒有在圖中）。這些部件通過不同的方式緊密而牢固的相互組合在一起，構成功率模塊。
按照功率模塊的制作工藝步驟，器件、陶瓷襯底和底部基板先連接。陶瓷襯底的兩面有薄金屬層，上表面金屬層通過焊料和器件、導電端子相連，同時上表面金屬層還有模塊內部電路導線的功能；下表面金屬通過焊料和底層基板相連。
上述三者連接完成后，半導體器件的正表面通過引線鍵合、壓接等方式和電路連接，圖5.1中標出的是引線鍵合的方式。
引線鍵合之后，模塊的電路部分已經完成了連接，再用密封膠覆蓋
陶瓷襯底正表面，目的是保護器件和絕緣。
至此模塊內部連接完成，外部用塑料外殼封裝，導電端子用外殼過孔中出來作為模塊的電氣連接端口，導電端子包括了功率端子和信號端子。
展開 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態液相焊接等新型封裝技術可以提高IGBT功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的IGBT模塊與電機控制器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基于硅基IGBT的電機控制器設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，硅基IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術將在不斷的優化迭代中獲得提升。
（二）智能門極驅動技術
門極驅動技術是電機控制器中高壓功率半導體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅動功率半導體器件的關鍵。IGBT門極驅動除具有基本的隔離、驅動和保護功能外，還需結合IGBT自身特性，精確地控制開通和關斷過程，使IGBT在損耗和電磁干擾（EMI）之間取得最佳的折衷[2]。
智能門極驅動的兩大主要特點分別為：主動門極控制和監控診斷功能。主動門極控制是根據工作運行環境和工況，對IGBT開關過程進行主動精細化最優控制的一種方法。主動門極控制技術是當前IGBT應用領域的研究熱點，其基本思路是把IGBT 開通過程和關斷過程分別劃分為幾個不同的階段，針對某一問題只需對相應的階段進行獨立的門極調控，對其他參數產生很小的（甚至不產生）負面影響[3]。
綜上所述，智能門極驅動的應用，將有助于充分發揮功率半導體器件性能，如降低損耗、提升電壓利用率等，并實現功率半導體器件的健康狀態在線評估，滿足電機控制器高安全性、高可靠性設計的目標。
（三）功率組件的集成設計
國際上典型的電機控制器產品為適應新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數的功率半導體模塊封裝均為定向設計[4]，功率半導體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設計已成為新能源汽車電機控制器發展的新趨勢。
器件級集成設計技術主要分為物理集成與需求集成設計。
展開 
PPT | SiC功率器件的性能表征、封裝測試與系統集成
PPT | SiC功率器件的性能表征、封裝測試與系統集成
新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態液相焊接等新型封裝技術可以提高IGBT功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的IGBT模塊與電機控制器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基于硅基IGBT的電機控制器設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，硅基IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術將在不斷的優化迭代中獲得提升。
（二）智能門極驅動技術
門極驅動技術是電機控制器中高壓功率半導體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅動功率半導體器件的關鍵。IGBT門極驅動除具有基本的隔離、驅動和保護功能外，還需結合IGBT自身特性，精確地控制開通和關斷過程，使IGBT在損耗和電磁干擾（EMI）之間取得最佳的折衷[2]。
智能門極驅動的兩大主要特點分別為：主動門極控制和監控診斷功能。主動門極控制是根據工作運行環境和工況，對IGBT開關過程進行主動精細化最優控制的一種方法。主動門極控制技術是當前IGBT應用領域的研究熱點，其基本思路是把IGBT 開通過程和關斷過程分別劃分為幾個不同的階段，針對某一問題只需對相應的階段進行獨立的門極調控，對其他參數產生很小的（甚至不產生）負面影響[3]。
綜上所述，智能門極驅動的應用，將有助于充分發揮功率半導體器件性能，如降低損耗、提升電壓利用率等，并實現功率半導體器件的健康狀態在線評估，滿足電機控制器高安全性、高可靠性設計的目標。
（三）功率組件的集成設計
國際上典型的電機控制器產品為適應新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數的功率半導體模塊封裝均為定向設計[4]，功率半導體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設計已成為新能源汽車電機控制器發展的新趨勢。
器件級集成設計技術主要分為物理集成與需求集成設計。
展開 關于高功率LED封裝的高效散熱技術
高功率高亮度發光二極體（LED）以其出色的色彩飽和度和使用壽命長的特點正滲透到一些照明應用中。然而，對熱設計師來說，防止LED過熱是最具挑戰性的任務。因此，通過計算流體動力（CFD）模擬LED組件在應用設計過程中變得越來越重要。本文分別比較了有散熱器和無散熱器時在星型金屬芯印刷電路板（MCPCB）上使用高功率LED封裝的實驗結果。比較討論之后，就帶散熱器時LED封裝的散熱建模技術案例做了闡述。 CFD建模結果充滿了希望，并說明這種技術可用于LED系統級的評估。本文還討論了在LED封裝中使用散熱介面材料的影響。
預測LED熱性能正成為幫助縮短上市時間所不可或缺的一種能力。然而，隨著熱通量和封裝密度日益增加，LED封裝模塊的散熱正變得越來越具挑戰性，熱分析和LED模塊設計也變得越來越重要。因此，在設計早期CFD仿真已成為一種廣泛使用的電子產品熱分析方法。CFD與流體流動的數值分析，熱傳導和其他相關過程如輻射一同受到關注。
本文介紹了生成帶有散熱器的高功率LED星型封裝所需完成的工序。首先，生成詳細的LED封裝星型襯底模型，然后在LED星型封裝底部生成散熱器。最后，將模擬數據同實驗數據相比較。另外我們所關注的方面是LED封裝上散熱介面材（TIM）產生的影響。目的是顯示不同焊線厚度(BLT)下TIM的特點和陷入TIM內的空隙的百分比。
熱建模技術
使用Flotherm——來自Flomerics公司的CFD工具，模擬LED封裝即星型襯底(MCPCB)。建立詳細模型，以比較與實際測量值的錯誤百分率。圖1所示為LED封裝配置。焊料填補在封裝和襯底間。當封裝達到最大功率1.3瓦時，標準自然和強迫對流空氣冷卻都無法將結溫保持在可接受范圍之內，即125℃及以下。
附加的散熱器作用在于幫助達到溫度要求。
展開 PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
