功率模块构造方法详解

1.功率器件的模块化

所谓功率模块，就是把两个或两个以上的功率半导体芯片按一定电路连接起来，并与辅助电路共同封装在一个绝缘的树脂外壳内。自20世纪70年代Semikron公司把模块原理引入电力电子技术领域以来，由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部连接，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好、便于维修和安装、结构重复性好、装置的机械设计可简化、总价格（包括散热器）比分立器件低等优点，又由于模块化是使电力电子装置的效率、重量、体积、可靠性、价格等技术经济指标更进一步改善和提高的重要措施，因此它一开始就受到了世界各国电力半导体器件公司的高度重视，投入了大量的人力和财力，开发研制出各种形式的功率半导体模块，如晶闸管、整流二极管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、大功率晶体管（GTR）、MOS可控晶闸管（MOS Controlled Thyristor，MCT）、功率MOSFET以及IGBT等模块，使模块技术得以蓬勃发展。

目前，功率器件封装形式主要有塑封单管和底板与各主电极相互绝缘的模块形式，大功率器件也有平板压接形式。由于模块封装形式对设计散热器极为方便，因此被各大器件生产公司广泛采用。由于功率器件生产工艺复杂，制造过程中要做十几次精细的光刻和套刻，并经相应次数的高温加工，因此制造大面积即大电流的单片功率器件的成品率很低。由于IG_- BT的MOS特性，使其更易并联，所以模块封装形式更适于制造大电流IGBT。起初由于IG_- BT工艺采用高阻外延片技术，电压很难突破2kV，因为要制造这样高电压的IGBT，外延厚度就要超过200μm，这在技术上很难，且几乎不能实用化。因此，1993年德国EVPEC公司研制成的1300A/3200V的IGBT模块，就是由多个IGBT芯片串、并联制成，这种组合只是对大电流、高电压模块发展的一种尝试，对工业生产的实用价值不大。1996年日本多家公司采用（110）晶面的高阻硅单晶制造IGBT器件，硅片厚度超过300μm，使单片IGBT的耐压超过2.5kV，同年东芝公司推出的1000A/2500V平板压接式IGBT器件就是由24个80A/2500V的芯片并联组成。1998年ABB公司采用在阳极侧透明P+发射层和N-缓冲层结构，使IGBT的耐压高达4.5kV，该公司同年研发成的1200A/3300V的IGBT模块就是由20个芯片并联制成。此后，非穿通（NPT）和软穿通（SPT）结构IGBT的试制成功，使IGBT器件具有正电阻温度系数，更易于并联，这为高电压、大电流IGBT模块的制造只需并联无需串联创造了技术基础。目前，已经可以批量生产一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的IGBT标准型模块，其最高水平已达到1800A/4500V。

IGBT芯片的集电极和快速恢复二极管的阴极都直接焊在DCB陶瓷基板上，然后用铜电极引出，DCB基板再与铜底板相焊，以便散热。IGBT的发射极、栅极以及快速恢复二极管的阳极都用铝丝键合在DCB陶瓷基板上，然后再用铜电极引出，模块采用RTV硅橡胶、硅凝胶和环氧树脂密封保护，又加芯片本身PN结已有玻璃钝化保护，因此能达到防潮、防震、防有害气体侵袭，使模块性能稳定可靠。但是，这种把IGBT芯片焊在一个平面上，芯片之间采用超声键合或热压焊的方法相连，由于器件在高di/dt和dv/dt下进行开和关，容易产生很高的电磁场，导致键合线（铝丝）之间由于邻近效应，使电流在导线内分布不均匀，并产生寄生振荡和噪声，导致键合线损坏，或使键合点脱落，造成IGBT模块失效。为此，已研制出在钼片表面键合一层铝，钼面与IGBT或快速恢复二极管相焊，而铝丝键合在钼片表面的键合铝层上，以降低键合处的应力，进一步改善了IGBT模块工作的可靠性。

模块结构按管芯组装工艺和固定方法不同可分为普通焊接结构、压接式结构和DCB键合结构三种。它们各有各的优缺点，普通焊接结构工艺简单，零部件少，因而成本低，但由于焊料的热疲劳，重复功率循环，使模块容易造成现场失效。压接式结构虽然解决了热疲劳问题，但由于它结构复杂，零部件多，因而成本高。而DCB键合式结构，集中了上述两种结构的优点，克服了它们的缺点，使之有良好的热疲劳稳定性，可制成大电流和高集成度的功率模块。在一个功率模块里，数个功率半导体芯片（IGBT芯片以及二极管芯片）被集成到一块共同的底板上，且模块的功率器件与其安装表面（散热板）相互绝缘。这些芯片的底面被焊接于（或被粘贴于）一块绝缘基片的金属化表面上。该绝缘基片的作用是在保证良好导热性能的同时还提供了相对于模块底板的电气绝缘。芯片的上表面被金属化，它的电气连接可以采用细的铝制键接线用键接的方式来实现。此外，采用混合电路或单芯片的方式，无源组件如栅极电阻、电流传感器或温度传感器（例如具有正温度系数的电阻）也可以被集成到模块中。

2.封装结构与互连方式

如何使电力电子装置的效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低、更加可靠耐用，一直是长期以来各设计、生产者不断努力和追求的方向。解决这一问题最为有效的途径，是采用系统集成的方法使多种电力电子器件组合成为标准化模块，并封装为一体，构成集成电力电子模块。

集成电力电子模块既不是某种特殊的半导体器件，也不是一种无源器件。它是按照最优化电路拓扑和系统结构的原则而设计出的包含多种器件的集成组件或模块。除了具备有功率半导体器件外，还包含驱动电路、控制电路、传感器、保护电路、辅助电源及无源器件。

电力电子集成可以分成单片集成和多芯片混合集成两种，由于高压、大电流的主电路和其他低压、小电流电路的集成工艺完全不同，还有高压隔离和传热等问题，因此目前仅在数十瓦的功率范围内实现了单片集成。电力电子集成封装技术的主要发展方向为混合集成，即将不同工艺的硅片封装在一个模块中。

在混合集成中，首先面临的是集成模块的封装问题。与普通IC不同，集成模块的封装更主要的是使模块具备更大的电流承载能力，更高的功率密度和更高效的散热能力。集成模块封装技术是电力电子集成模块技术的研发基础和平台。主电路、控制电路等的优化设计与实现，模块内的电磁兼容问题、寄生参数等的分析、控制、检测技术以及高效的散热方式等，几乎所有相关研究都必须在此基础和平台上展开。

集成与封装技术作为电力电子集成模块的一个重点研究方向，主要研究模块的集成和封装工艺。目前，已有越来越多的学者认识到，能否真正将集成模块的概念付诸实现，在很大程度上取决于集成和封装的工艺技术。

封装技术涉及模块的封装结构、模块内芯片与基板的互连方式、各类封装材料（导热、填充、绝缘）的选取、制备工艺流程等问题。由于集成模块无论在功能和结构上都与传统IC或功率器件存在巨大差异，因此新型的模块封装结构和与之相适应的引线工艺又是封装技术中重点，并且是首先需要研究的问题。

传统的电力电子器件或模块，虽然外形封装样式多种多样，但其采用的封装结构形式以平面型为主。然而对于电力电子集成模块，由于隔离和散热等问题，难以将功率芯片、控制芯片等多个不同工艺的硅片采用平面型结构安装在同一块底板上。

引线工艺主要解决裸芯片的各电极如何与基板的互连问题。传统电力电子器件采用的互连工艺主要有键合与压接两种方式。键合方式适用于电流容量为50～600A的器件，由于工艺成熟、成本低，应用较为广泛；压接方式适用于电流超过500～3000A的器件。然而，这两种互连方式由于其固有的缺陷，均不能简单照搬到电力电子集成模块上。其中压接方式的缺陷主要体现在对管芯、压块、底板等零件平整度要求很高，否则不仅使模块的接触热阻增大，而且会损伤芯片，严重时会使芯片碎裂。要保证施加合适的压力。压力过大，会损伤芯片；压力过小，不仅使正向峰值压降、热阻增大，而且会使这两个参数不稳定。由于热应力会使弹簧片等紧固件发生较大的塑性形变，使加在芯片上的压力发生变化，造成正向峰值压降和热阻不稳定。工艺设备复杂、成本高、壳内器件较多易引起芯片沾污。

引线键合技术本身存在诸多技术缺陷，表现在多根引线并联会产生邻近效应，导致同一硅片的键合线之间或同一模块内的不同硅片的键合线之间电流分布不均。由于高频大电流通过互相平行的引线产生电磁场，由此形成的电磁力容易造成引线老化。引线键合工艺的寄生电感很大，会给器件带来较高的开关过电压，形成开关应力。引线本身很细，又普遍采用平面封装结构，传热性能不够好。引线和硅片作为不同的材料，两者热膨胀系数的差异会产生热应力等。因此，低寄生参数、高性能、能有效传热、高可靠性的新型电力电子集成模块的封装结构和互连方式成为电力电子模块集成工艺中研究的主要问题。

为了获得高性能的电力电子集成模块，以混合封装技术为基础的多芯片模块（Multi Chip Module，MCM）封装是目前国际上该领域研究的主流方向。随着三维混合封装技术的发展，目前的MCM已不只局限于将几块芯片平面安装在一块衬底上，而是采用埋置、有源基板或叠层技术，在三维空间内将多个不同工艺的芯片互连，形成完整功能的模块。将MCM技术用于电力电子集成封装的研究，核心内容是研究具有高载流能力、低漏感、高可靠性、三维传热能力和低成本、便于制造的互连和封装工艺，从而解决寄生参数、散热和可靠性问题。目前，国际上已提出多种技术方案，根据其互连方式大体可以划分为两类：以焊接技术为基础的互连工艺和以沉积金属膜（薄膜或厚膜）为基础的互连工艺。

（1）焊接技术为基础的互连工艺

以焊接技术为基础的互连工艺普遍采用叠层型三维封装结构，即把多个裸芯片或MCM沿Z轴层层叠装、互连，组成三维封装结构。叠层型三维封装的优点是工艺相对简单，成本相对较低，关键是解决各层间的垂直互连问题。根据集成功率模块的特殊性，主要利用焊接工艺将焊料凸点、金属柱等焊接在芯片的电极引出端，并与任一基板或芯片互连。目前的技术方案包括焊料凸点互连（Solder Ball Interconnect，SBI）和金属柱互连平行板结构（Metal PostsInterconnected Parallel Plate Structures，MPIPPS）等。

图3-1所示为一个功率模块的结构。它包含了IGBT和续流二极管，采用以三氧化二铝或氮化铝DCB陶瓷作为绝缘基片。这类绝缘基片具有绝缘电压高和导热性能优良的特点。

1）SBI技术利用焊料凸点代替引线构成芯片电极的引出端，并常与倒装芯片技术（Flip-ChipTechnology）结合，以进一步缩短引线间距。倒装芯片技术是在芯片的输入/输出端利用平面工艺制成焊料凸点焊球，将芯片面朝下，直接贴装在基片上，利用回流焊工艺使芯片焊球和基板焊盘之间形成焊点，实现芯片与基板的电、热、机械连接。焊料凸点互连的优点在于省略了芯片和基板之间的引线，起电连接作用的焊点路径短、接触面积大、寄生电感/电容小，封装密度高。

图3-1 SEMITRANS2封装形式的IGBT模块的结构

在模块的结构设计中采用了柔性电路板，并与倒装芯片技术相结合，使功率芯片借助焊料凸点倒扣在柔性电路板上，而芯片的另一面经DBC板与散热器固定。应用焊料凸点互连方式的集成功率模块的缺点在于：由于芯片的热膨胀系数和底板的热膨胀系数存在热膨胀失配，因此在芯片服役（工作时发热，不工作时冷却）中，热膨胀失配严重。在热循环加载下，焊点内产生很大的周期性塑性形变，萌生裂缝并扩展，使焊点很快疲劳失效。

对焊料凸点互连技术进行了改进。一方面通过应用底充胶（underfill）技术，即在芯片和基板间隙填充聚合物，机械耦合了芯片与基板的热膨胀失配，提高焊点寿命；另一方面将焊料凸点互连技术与BGA相结合，进一步减小了集成模块的电气寄生参数，提高了散热性能。除采用类似的三维叠层封装结构外，由于是在硅片表面以阵列方式制出球形触点作为引脚，不仅使封装尺寸更为缩小，达到与芯片尺寸封装（Chip Scale Package，CSP）接近的封装密度，而且解决了确保获得好的芯片（knowgoodie，KGD）的问题，使功率芯片可以像普通芯片一样进行测试老化筛选，成品率更有保证。

2）MPIPP是在硅片的正反两面上下各有一层互相平行的陶瓷覆铜（Direct Bond Copper，DBC）板。DBC板上都预先刻蚀有相应的电路。硅片的底面直接焊接在DBC板上，而硅片正面的电极是通过直接键合的金属柱引出，与上DBC板构成电气连接，即借助金属柱完成了硅片之间及上下DBC板之间的互连。上DBC板作为一双面基板，安装驱动、保护等元件构成控制电路，与下DBC板的功率电路共同组成具备独立完整功能的集成电力电子模块。

类似的以焊接技术为基础的互连方式还包括飞兆公司的球栅阵列MOSFET，摩托罗拉公司的多芯片机械电子功率封装（Multichip Mechatronics Power Package，MMPP），CPES公司的凹陷阵列互连（Dimple Array Interconnect，DAI）等。其中DAI技术是在铜带上制作类似球栅阵列的凹陷阵列，将凹陷的凸起作为芯片的互连引线。与凸焊点相比，凹陷阵列的凸起高度可以做的更高，使互连更加可靠，在铜带上制作凹陷的工艺相对也较为简单。

（2）沉积金属膜为基础的互连工艺

以沉积金属膜为基础的互连工艺多采用埋置型三维封装结构，即在各类基板或介质中埋置裸芯片，顶层再贴装表贴元件及芯片来实现三维封装结构。其特点是蒸镀或溅射的金属膜不仅与芯片的电极相连，而且可以构成电路图形，并连至其他电路。其最大优点是能大大减少焊点，缩短引线间距，进而减小寄生参数。

不论寄生电感还是等效电阻，沉积金属膜为基础的互连工艺都是最低的。另外，这种互连工艺采用的埋置型三维封装结构能够增大芯片的有效散热面积，热量耗散可以沿模块的各个方向流动，有利于进一步提高集成模块的功率密度。以沉积金属膜为基础的互连工艺有薄膜覆盖技术和嵌入式封装等。

1）薄膜覆盖技术（Thin Film Power Overlay Technology，TFPOT），是首先在功率芯片上涂覆聚酰亚胺介质薄膜。之后利用激光在薄膜上烧灼过孔，与下面芯片的电极相通。再用溅射法使过孔金属化，然后涂覆金属层，并图形化。最上层表贴驱动、控制、保护器件。薄膜覆盖技术的优点是能够制作耐压等级高、电流大、高效散热的集成功率模块。

2）嵌入式封装（Embedded Power Technology，EPT），是首先在陶瓷框架上刻蚀出空洞，功率芯片被埋设在陶瓷框架的空洞内，之后在其上部利用丝网漏印、光刻等技术分别涂覆介质薄膜和金属膜并使之图形化，最后集成模块的驱动、控制、保护器件以表贴或膜式元件的形式粘附在最上层。嵌入式封装结构的最大优点是可以大为缩小模块的体积，继而提高模块的功率密度。与焊接技术为基础的互连工艺相比，芯片电极引出线的距离更短，相应的寄生参数也更小。

针对电力电子集成模块的新型集成与封装技术的研究是电力电子集成领域的研究重点。传统的平板型、螺栓型等封装结构以及引线键合、压接等互连方式由于存在各种缺陷，不适用于电力电子集成模块。以MCM为基础的三维封装技术具有组装密度高、寄生参数小、功耗低等优点，成为集成模块的发展方向。其中，以焊接技术为基础的互连方法工艺相对简单，成本相对较低；以沉积金属膜为基础的互连方法结构更紧凑，寄生参数更小，更利于三维散热，但工艺较为复杂。

3.导热绝缘陶瓷覆铜DBC板

在电力半导体模块的发展中，随着集成度的提高，体积的减少，使得单位散热面积上的功耗增加，散热成为模块制造中的一个关键问题，而传统的模块结构（焊接式和压接式）已无法成功地解决散热问题。因此，对处于散热底板与芯片之间的导热绝缘材料提出了新要求。目前，国内外电力电子行业所用此种材料一般是陶瓷-金属复合板结构，简称DBC（Dircet Bonding Copper）板。

（1）直接铜熔结（Direct Copper Bonding，DCB）(www.xing528.com)

制造DCB基片的绝缘材料一般厚度为0.38～0.63mm。在1000℃以上的高温作用下，绝缘基片的上下表面分别与约300μm厚的铜层共熔在一起。然后，对上表面的铜层进行蚀刻以得到模块所需的电路连接，并将芯片焊接于其上，而芯片上表面之间的连接则采用键接。DCB基片的底部固定在模块底板（厚度约3mm）上的方式多为焊接。还有其他的封装形式（如SEMITOP、SKiiPPACK、MiniSKiiP）。在这类模块中，利用特殊设计的外壳结构，使DCB陶瓷基片被直接压到散热器表面。由于省去了底板，而少了一个焊接过程。

如果将DCB技术与其他封装形式相比较，它的优点主要在于：铜层较厚，因而可以提供较大的电流承载力；陶瓷材料具有良好的传热能力，因而便于冷却；铜材料在陶瓷上具有很强的附着力，因而提高了可靠性。

所谓DCB技术是指将铜在高温下直接键合到陶瓷材料上的技术，DCB陶瓷基板主要采用Al₂ O₃、AlN、BeO等导热绝缘陶瓷基片。由于BeO含有毒性，工业上很少采用。AlN虽然导热性能良好，且热膨胀系数与硅相近，但价格太高，因此目前Al₂ O₃已被广泛地用作DCB板的导热绝缘基片，而AlN也处于发展之中。

目前，国外DCB基板已投入工业化生产，并广泛用于功率半导体模块、微波传送和密封等领域。在相同功率的功率半导体中，DCB板的焊接式模块，与普通焊接方式的模块相比，不仅体积小，重量轻，省部件，并且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。国内这方面的研究刚刚起步，尚未形成工业化生产。DCB陶瓷基板在功率模块中所起的作用如下：

1）作为硅芯片的承载体，并且二者之间无其他任何材料和连接线。作为电路布线基板，功能近似于PCB板。

2）绝缘性能好，把导电部件和散热部件隔离开。

3）散热性能好，把硅芯片产生的热量通过导热传输到散热装置。

因此DCB基板是导热性能和绝缘性能都很优良的基板，Al₂O₃-Cu基板具有如下的优良特性：

1）热阻抗小，且热膨胀系数同Al₂ O₃，与硅相近，使用中不要过渡层，硅芯片可直接焊接在DCB基板上。

2）具有良好的机械性能，附着力＞5000N/cm²，抗剥力90N/cm。

3）耐腐蚀，不变形，可在-55～+860℃温度范围内使用。

4）极好的绝缘性能，瓷板耐压>2.5kV。

5）良好的导热性，热导率为24～28W/m·K。

6）焊接性良好，达到95%以上。

DCB板将是未来电子线路中结构和连接技术的基础材料。在传统有机覆铜板不能满足元件热冲击性能时，DCB板将是用于具有高耗散功率电子组件的基本材料。在使用中，由于较厚的铜层（0.3mm）能承受更高的电流负载，在相同截面下，仅需有机覆铜板12%的导体宽度，良好的热电率，使功率芯片的密集安装成为可能。在单位体积内能传输更大的功率，提高系统和设备的可靠性。

DCB技术为未来“芯板”技术的基础，代表着今后封装技术的发展趋势，随着DCB板的应用，就向未来的“芯板”技术迈进了一步，同时也形成了创造性产品和具有高集成度设备设计的基础。

（2）主动金属钎焊（Active Metal Brazing，AMB）

图3-2 DCB与AMB的区别

AMB方法（将金属膜硬焊接至基片的方法）是DCB技术的进一步发展。与基于氧化铝陶瓷材料的基片相比，采用AlN陶瓷材料的AMB基片有着更小的热阻、更低的热膨胀系数和更稳定的部分放电能力。图3-2所示为DCB和AMB的区别。

（3）绝缘金属基片（Insulated Metal Substrate，IMS）

IMS主要被应用于低成本与小功率领域，它的特点是绝缘材料被直接置于底板之上。绝缘体多为聚合物，如环氧树脂、聚酰亚胺等，被放在一块铝底板上。在绝缘体上表面粘贴了一层薄膜状的铜层，通过对铜层的蚀刻便可以获得所需的电路结构[类似于印制电路板（PCB）的制造]，如图3-3所示。

图3-3 IMS功率模块的基本结构

与DCB技术相比，IMS技术的优点在于其成本低，可以实现精细结构（驱动和保护装置的集成成为可能），基片的机械强度高以及基片面积相对较大。然而，因其绝缘层非常薄，导致了相对于安装面积较大的耦合电容，另外，其上表面极薄的铜层不利于芯片的热扩散。针对这一点的改善措施可以是在芯片下面附加金属化的热扩散层或在绝缘层中掺铝。

（4）厚膜铜（Thick Film Copper，TFC）基片

TFC与DCB相同，厚膜片的基本材料也是绝缘陶瓷。但它可以用硅胶直接粘贴于或焊接于底板以及散热片之上，如图3-4所示。TFC技术还可以与标准的厚膜技术相结合使用。

图3-4 TFC功率模块的基本结构

陶瓷上表面的印制电路由铜组成，并通过筛印方法而得到。功率半导体芯片或其他组件则被焊接于或粘贴于印制电路上。由于采用厚膜技术中常见的材料可以实现几何尺寸很小的电阻，以及相互绝缘的印制电路可以被分层与重叠，所以在一块小面积上可以集成相当多的系统元器件。但由于印制电路的连线非常细（如15μm），此类结构的电流承载能力局限在10A以内。

在电流达数十安培或以上的应用中，IGBT大多为含有硅芯片的绝缘式功率模块。这些模块含有一个或数个IGBT单元，以及和IGBT相匹配的二极管（续流二极管），某些情况下还含有无源元件和智能部分。

虽然功率模块存在仅能单面冷却的缺点，但它还是被广泛地应用于大功率电力电子技术中，与同期问世的平板式IGBT器件一争高低。尽管平板式器件在双面冷却的条件下可以多散发约30%的热损耗，但功率模块仍然受到用户广泛的欢迎。其原因除了安装简易外，还在于模块的芯片和散热器之间的绝缘，其内部多个不同元器件的可组合性，以及由于大批量生产而导致的低成本。

在当今的市场上，尽管各种有竞争性的功率器件都在不断地发展，但是IGBT模块却稳稳胜出，它的功率范围也在不断延伸。目前，生产的IGBT模块已具有了6.5kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻断电压。以此为基础，MW级的电压为6kV的变流器（采用IGBT串联的电路）已经出现。IGBT模块已经成为集成电子系统的基本器件，同时也正在成为集成机电系统的基本器件。

功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到了长足进展，已深入到工业生产与人民生活的各个方面。功率半导体技术正朝着高温、高频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统化方向发展，新结构、新工艺的硅基功率器件正不断地出现并逼近硅材料的理论极限，新材料功率半导体器件正不断地走向成熟。可以预期，随着SPIC的不断发展，人们期望已久的第二次电子革命将最终到来。