功率模块封装结构及其技术.doc

1、功 率 模 块 封 装 结 构 及 其 技 术摘 要 ： 本 文 从 封 装 角 度 评 估 功 率 电 子 系 统 集 成 的 重 要 性 。 文 中 概 述 了 多 种 功 率 模 块 的 封 装 结 构 形 式及 主 要 研 发 内 容 。 另 外 还 讨 论 了 模 块 封 装 技 术 的 一 些 新 进 展 以 及 在 功 率 电 子 系 统 集 成 中 的 地 位 和 作用 。 1 引 言功 率 （ 电 源 或 电 力 ） 半 导 体 器 件 现 有 两 大 集 成 系 列 ， 其 一 是 单 片 功 率 或 高 压 集 成 电 路 ， 英 文 缩 略 语为 PIC 或 HIVC，

2、 电 流 、 电 压 分 别 小 于 10A、 700V 的 智 能 功 率 器 件 /电 路 采 用 单 片 集 成 的 产 品 日益 增 多 ， 但 受 功 率 高 压 大 电 流 器 件 结 构 及 制 作 工 艺 的 特 殊 性 ， 弹 片 集 成 的 功 率 /高 压 电 路 产 品 能够 处 理 的 功 率 尚 不 足 够 大 ， 一 般 适 用 于 数 十 瓦 的 电 子 电 路 的 集 成 ； 另 一 类 是 将 功 率 器 件 、 控 制 电 路 、驱 动 电 路 、 接 口 电 路 、 保 护 电 路 等 芯 片 封 装 一 体 化 ， 内 部 引 线 键 合 互 连 形

3、成 部 分 或 完 整 功 能 的 功 率模 块 或 系 统 功 率 集 成 ， 其 结 构 包 括 多 芯 片 混 合 IC 封 装 以 及 智 能 功 率 模 块 IPM、 功 率 电 子 模 块PEBb、 集 成 功 率 电 子 模 块 等 。 功 率 模 块 以 为 电 子 、 功 率 电 子 、 封 装 等 技 术 为 基 础 ， 按 照 最 优 化电 路 拓 扑 与 系 统 结 构 原 则 ， 形 成 可 以 组 合 和 更 换 的 标 准 单 元 ， 解 决 模 块 的 封 装 结 构 、 模 块 内 部 芯 片及 其 与 基 板 的 互 连 方 式 、 各 类 封 装 （ 导

4、热 、 填 充 、 绝 缘 ） 的 选 择 、 植 被 的 工 艺 流 程 的 国 内 许 多 问 题 ，使 系 统 中 各 种 元 器 件 之 间 互 连 所 产 生 的 不 利 寄 生 参 数 少 到 最 小 ， 功 率 点 楼 的 热 量 更 易 于 向 外 散 发 ，其 间 更 能 耐 受 环 境 应 力 的 冲 击 ， 具 有 更 大 的 电 流 承 载 能 力 ， 产 品 的 整 体 性 能 、 可 能 性 、 功 率 密 度 得到 提 高 ， 满 足 功 率 管 理 、 电 源 管 理 、 功 率 控 制 系 统 应 用 的 需 求 。2 功 率 模 块 封 装 结 构功 率 模

5、 块 的 封 装 外 形 各 式 各 样 ， 新 的 封 装 形 式 日 新 月 异 ， 一 般 按 管 芯 或 芯 片 的 组 装 工 艺 及 安 装 固 定方 法 的 不 同 ， 主 要 分 为 压 接 结 构 、 焊 接 结 构 、 直 接 敷 铜 DBC 基 板 结 构 ， 所 采 用 的 封 装 形 式 多 为平 面 型 以 及 ， 存 在 难 以 将 功 率 芯 片 、 控 制 芯 片 等 多 个 不 同 工 艺 芯 片 平 面 型 安 装 在 同 一 基 板 上 的 问 题 。为 开 发 高 性 能 的 产 品 ， 以 混 合 IC 封 装 技 术 为 基 础 的 多 芯 片 模

6、 块 MCM 封 装 成 为 目 前 主 流 发 展 趋势 ， 即 重 视 工 艺 技 术 研 究 ， 更 关 注 产 品 类 型 开 发 ， 不 仅 可 将 几 个 各 类 芯 片 安 装 在 同 一 基 板 上 ， 而 且采 用 埋 置 、 有 源 基 板 、 叠 层 、 嵌 入 式 封 装 ， 在 三 维 空 间 内 将 多 个 不 同 工 艺 的 芯 片 互 连 ， 构 成 完 整 功能 的 模 块 。压 接 式 结 构 延 用 平 板 型 或 螺 栓 型 封 装 的 管 芯 压 接 互 连 技 术 ， 点 接 触 靠 内 外 部 施 加 压 力 实 现 ， 解 决 热疲 劳 稳 定

7、性 问 题 ， 可 制 作 大 电 流 、 高 集 成 度 的 功 率 模 块 ， 但 对 管 芯 、 压 块 、 底 板 等 零 部 件 平 整 度 要求 很 高 ， 否 则 不 仅 将 增 大 模 块 的 接 触 热 阻 ， 而 且 会 损 伤 芯 片 ， 严 重 时 芯 片 会 撕 裂 ， 结 构 复 杂 、 成 本高 、 比 较 笨 重 ， 多 用 于 晶 闸 管 功 率 模 块 。 焊 接 结 构 采 用 引 线 键 合 技 术 为 主 导 的 互 连 工 艺 ， 包 括 焊料 凸 点 互 连 、 金 属 柱 互 连 平 行 板 方 式 、 凹 陷 阵 列 互 连 、 沉 积 金 属

8、 膜 互 连 等 技 术 ， 解 决 寄 生 参 数 、 散热 、 可 靠 性 问 题 ， 目 前 已 提 出 多 种 实 用 技 术 方 案 。 例 如 ， 合 理 结 构 和 电 路 设 计 二 次 组 装 已 封 装 元 器件 构 成 模 块 ； 或 者 功 率 电 路 采 用 芯 片 ， 控 制 、 驱 动 电 路 采 用 已 封 装 器 件 ， 构 成 高 性 能 模 块 ； 多 芯 片组 件 构 成 功 率 智 能 模 块 。 DBC 基 板 结 构 便 于 将 微 电 子 控 制 芯 片 与 高 压 大 电 流 执 行 芯 片 密 封 在 同 一模 块 之 中 ， 可 缩 短 或

9、 减 少 内 部 引 线 ， 具 备 更 好 的 热 疲 劳 稳 定 性 和 很 高 的 封 装 集 成 度 ， DBC 通 道 、整 体 引 脚 技 术 的 应 用 有 助 于 MCM 的 封 装 ， 整 体 引 脚 无 需 额 外 进 行 引 脚 焊 接 ， 基 板 上 有 更 大 的 有效 面 积 、 更 高 的 载 流 能 力 ， 整 体 引 脚 可 在 基 板 的 所 有 四 边 实 现 ， 成 为 MCM 功 率 半 导 体 器 件 封 装的 重 要 手 段 ， 并 为 模 块 智 能 化 创 造 了 工 艺 条 件 。MCM 封 装 解 决 两 种 或 多 种 不 同 工 艺 所

10、 生 产 的 芯 片 安 装 、 大 电 流 布 线 、 电 热 隔 离 等 技 术 问 题 ， 对 生产 工 艺 和 设 备 的 要 求 很 高 。 MCM 外 形 有 侧 向 引 脚 封 装 、 向 上 引 脚 封 装 、 向 下 引 脚 封 装 等 方 案 。 简而 言 之 ， 侧 向 引 脚 封 装 基 本 结 构 为 DBC 多 层 架 构 ， DBC 板 带 有 通 道 与 整 体 引 脚 ， 可 阀 框 架 焊 于其 上 ， 引 线 键 合 后 ， 焊 上 金 属 盖 完 成 封 装 。 向 上 引 脚 封 装 基 本 结 构 也 采 用 多 层 DBC， 上 层 DBC边 缘

11、留 有 开 孔 ， 引 脚 直 接 键 合 在 下 层 DBC 板 上 ， 可 阀 框 架 焊 于 其 上 ， 引 线 键 合 后 ， 焊 上 金 属 盖 完成 封 装 。 向 下 引 脚 封 装 为 单 层 DBC 结 构 ， 铜 引 脚 通 过 DBC 基 板 预 留 通 孔 ， 直 接 键 合 在 上 层 导 体铜 箔 的 背 面 ， 可 阀 框 架 焊 于 其 上 ， 引 线 键 合 、 焊 上 金 属 盖 完 成 封 装 。综 观 功 率 模 块 研 发 动 态 ， 早 已 突 破 最 初 定 义 是 将 两 个 或 两 个 以 上 的 功 率 半 导 体 芯 片 (各 类 晶 闸

12、管 、整 流 二 极 管 、 功 率 复 合 晶 体 管 、 功 率 MOSFET、 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 等 )， 按 一 定 电 路 互 连 ， 用弹 性 硅 凝 胶 、 环 氧 树 脂 等 保 护 材 料 密 封 在 一 个 绝 缘 外 壳 内 ， 并 与 导 热 底 板 绝 缘 的 概 念 ， 迈 向 将 器 件芯 片 与 控 制 、 驱 动 、 过 压 过 流 及 过 热 与 欠 压 保 护 等 电 路 芯 片 相 结 合 ， 密 封 在 同 一 绝 缘 外 壳 内 的 智 能化 功 率 模 块 时 代 。3 智 能 功 率 模 块 IPMIPM 是 一 种 有 代 表

13、 性 的 混 合 IC 封 装 ， 将 包 含 功 率 器 件 、 驱 动 、 保 护 和 控 制 电 路 的 多 个 芯 片 ， 通 过焊 丝 或 铜 带 连 接 ， 封 装 在 同 一 外 壳 内 构 成 具 有 部 分 或 完 整 功 能 的 、 相 对 独 立 的 功 率 模 块 。 用IGBT 单 元 构 成 的 功 率 模 块 在 智 能 化 方 面 发 展 最 为 迅 速 ， 又 称 为 IGBT-IPM， KW 级 小 功 率 IPM可 采 用 多 层 环 氧 树 脂 粘 合 绝 缘 PCB 技 术 ， 大 中 功 率 IPM 则 采 用 DBC 多 芯 片 技 术 ， IGB

14、T 和 续 流二 极 管 反 并 联 组 成 基 本 单 元 并 联 ， 也 可 以 是 两 个 基 本 单 元 组 成 的 二 单 元 以 及 多 单 元 并 联 ， 典 型 组 合方 式 还 有 六 单 元 或 七 单 元 结 构 ， 内 部 引 线 键 合 互 连 ， 实 现 轻 、 小 、 超 薄 型 IPM、 内 表 面 绝 缘 智 能功 率 模 块 I2PM、 程 控 绝 缘 智 能 功 率 模 块 PI-IPM， 品 种 系 列 丰 富 ， 应 用 设 计 简 洁 。 此 外 ， 开 发 出将 晶 闸 管 主 电 路 与 移 相 触 发 系 统 以 及 保 护 电 路 共 同 封

15、 装 在 一 个 塑 料 外 壳 内 构 成 的 智 能 晶 闸 管 模 块ITPM。4 功 率 电 子 模 块 PEBBPEBB 是 一 种 针 对 分 布 式 电 源 系 列 进 行 划 分 和 构 造 的 新 的 模 块 化 概 念 ， 根 据 系 统 层 面 对 电 路 合 理 细化 ， 抽 取 出 具 有 相 同 功 能 或 相 似 特 征 的 部 分 ， 制 成 通 用 模 块 PEBB， 作 为 功 率 电 子 系 统 的 基 础 部件 ， 系 统 中 全 部 或 大 部 分 的 功 率 变 换 功 能 可 用 相 同 的 PEBB 完 成 。PEBB 采 用 多 层 叠 装 三

16、 维 立 体 封 装 与 表 面 贴 装 技 术 ， 所 有 待 封 装 器 件 均 以 芯 片 形 式 进 入 模 块 ， 模 块在 系 统 架 构 下 标 准 化 ， 最 底 层 为 散 热 器 ， 其 次 是 3 个 相 同 的 PEBB 相 桥 臂 组 成 的 三 相 整 流 桥 ， 再上 面 是 驱 动 电 路 ， 顶 层 是 传 感 器 信 号 调 节 电 路 。 PEBB 的 应 用 方 便 灵 活 ， 可 靠 性 高 ， 维 护 性 好 。5 集 成 功 率 电 子 模 块 IPEMIPEM 研 发 的 主 要 内 容 涉 及 适 用 于 模 块 内 部 的 ， 具 有 通 用

17、 性 的 主 电 路 、 控 制 、 驱 动 、 保 护 、 电 源 等电 路 及 无 源 元 件 技 术 ， 通 过 多 层 互 连 和 高 集 成 度 混 合 IC 封 装 ， 全 部 电 路 和 元 器 件 一 体 化 封 装 ，形 成 通 用 性 标 准 化 的 IPEM， 易 于 构 成 各 种 不 同 的 应 用 系 统 。 在 IPEM 制 造 中 ， 采 用 陶 瓷 基 板 多芯 片 模 块 MCM-C 技 术 ， 将 信 息 传 输 、 控 制 与 功 率 器 件 等 多 层 面 进 行 互 连 ， 所 有 的 无 源 元 件 都 是 以埋 层 方 面 掩 埋 在 基 板 中

18、 ， 完 全 取 消 常 规 模 块 封 装 中 的 铝 丝 键 合 互 连 工 艺 ， 采 用 三 维 立 体 组 装 ， 增 加散 热 。 IPEM 克 服 了 IPM 内 部 因 各 功 率 器 件 与 控 制 电 路 用 焊 丝 连 接 不 同 芯 片 造 成 的 焊 丝 引 入 的 线 电感 与 焊 丝 焊 点 的 可 靠 性 限 制 IPM 进 一 步 发 展 的 瓶 颈 。 IPEM 不 采 用 焊 丝 互 连 ， 增 强 其 可 靠 性 ， 大大 降 低 电 路 接 线 电 感 ， 提 高 系 统效 率 。6 i POWIRi POWIR 是 一 种 较 有 代 表 性 的 多

19、 芯 片 模 块 ， 它 将 功 率 器 件 、 控 制 用 IC、 脉 宽 调 制 IC 以 及 一 些 无源 元 件 按 照 电 源 设 计 的 需 求 ， 采 用 焊 球 阵 列 BGA 封 装 技 术 ， 组 装 在 同 一 外 壳 中 ， 在 生 产 中 作 为大 开 关 电 源 形 式 完 成 测 试 。 i POWIR 可 简 化 电 源 设 计 ， 减 少 外 围 元 件 数 量 ， 压 缩 占 用 电 路 板 面 积 ，并 在 性 能 上 有 较 大 提 高 ， 以 更 低 的 成 本 来 实 现 与 功 能 齐 备 的 电 源 产 品 相 当 的 可 靠 性 。 例 如 ，

20、 一 种 双路 i POWIR 可 产 生 每 路 1.5A 的 电 流 输 出 ， 其 输 出 组 合 在 一 起 ， 便 可 获 得 30A 的 输 出 ， 可 靠 性 大为 提 高 。 i POWIR 的 进 一 步 发 展 ， 被 认 为 是 DC DC 变 换 的 未 来 。 开 发 出 一 系 列 专 用 的 i MOTION、 i NTERO 集 成 功 率 模 块 ， 用 以 促 进 中 小 功 率 电 机 驱 动 的 小 型 化 、 集 成 化 、 高 性 能 、 高可 靠 、 专 业 化 ， 应 用 场 合 包 括 家 电 中 的 冰 箱 、 洗 衣 机 、 空 调 等 。

21、7 功 率 模 块 封 装 技 术功 率 模 块 的 研 发 在 很 大 程 度 上 取 决 于 功 率 器 件 和 混 合 IC 封 装 技 术 的 新 进 展 。 “皮 之 不 存 ， 毛 将 焉附 “。 它 既 是 芯 片 制 造 技 术 的 延 伸 扩 展 ， 也 是 封 装 生 产 多 元 化 纵 深 拓 展 的 新 领 域 ， 所 研 发 的 关 键 技术 包 括 DBC 基 板 、 互 连 工 艺 、 封 装 材 料 、 热 设 计 等 。7.1 AIN-DBC 封 装 基 板国 际 上 ， 各 种 规 格 的 AIN-DBC 封 装 基 板 可 大 批 量 商 品 化 供 货

22、， 国 内 小 批 量 供 货 远 无 法 满 足 需 求 。AIN-DBC 具 有 AIN 陶 瓷 的 高 热 导 性 ， 又 具 备 Cu 箔 的 高 导 电 特 性 ， 并 可 像 PCB 板 一 样 ， 在 其 表面 刻 蚀 出 所 需 的 各 种 图 形 ， 用 于 功 率 器 件 与 模 块 封 装 中 ， 表 1 示 出 几 种 封 装 用 陶 瓷 基 板 的 性 能 比较 。 在 AIN-DBC 电 子 封 装 基 板 的 制 备 中 ， 有 效 地 控 制 Cu 箔 与 AIN 陶 瓷 基 片 界 面 上 Cu-O 共 晶液 相 的 产 生 、 分 布 及 降 温 过 程 的

23、 固 化 是 其 工 艺 的 重 点 ， 这 些 因 素 都 与 体 系 中 的 氧 成 分 有 着 密 切 的 关系 ， 表 2 示 出 目 前 较 常 用 的 AIN 基 片 金 属 化 技 术 及 其 基 板 比 较 ， Cu 箔 、 AIN 基 片 在 预 氧 化 时 都要 控 制 氧 化 的 温 度 及 时 间 ， 使 其 表 面 形 成 的 A12O3 薄 层 厚 度 达 1m， 两 者 间 过 渡 层 的 结 构 与 成分 对 AIN-DBC 基 板 的 导 热 性 及 结 合 强 度 影 响 极 大 ， 加 热 敷 接 过 程 中 温 度 、 时 间 及 气 氛 的 控 制 都

24、 将对 最 终 界 面 产 物 的 结 构 及 形 态 产 生 影 响 ， 可 将 0.125 0.7mm 厚 的 Cu 箔 覆 合 在 AIN 基 片 上 ， 各类 芯 片 可 直 接 附 着 在 此 基 板 上 。 在 封 装 应 用 中 ， 前 后 导 通 可 通 过 敷 接 Cu 箔 之 前 在 AIN 基 片 上 钻孔 实 现 ， 或 采 用 微 导 孔 、 引 脚 直 接 键 合 针 柱 通 道 、 金 属 柱 互 连 等 技 术 ， 实 现 密 封 连 接 。 AIN 基片 在 基 板 与 封 装 一 体 化 以 及 降 低 封 装 成 本 、 增 加 布 线 密 度 、 提 高

25、 可 靠 性 等 方 面 均 有 优 势 ， 例 如 ，AIN-DBC 基 板 的 焊 接 式 模 块 与 普 通 焊 接 模 块 相 比 ， 体 积 小 、 重 量 轻 、 热 疲 劳 稳 定 性 好 、 密 封 功 率器 件 的 集 成 度 更 高 。7.2 键 合 互 连 工 艺芯 片 安 装 与 引 线 键 合 互 连 是 封 装 中 的 关 键 工 序 ， 功 率 器 件 管 芯 采 用 共 晶 键 合 或 合 金 焊 料 焊 接 安 装 芯片 ， 引 线 互 连 多 采 用 铝 丝 键 合 技 术 ， 工 艺 简 单 、 成 本 低 ， 但 存 在 键 合 点 面 积 小 (传 热

26、 性 差 )、 寄 生电 感 大 、 铝 丝 载 流 量 有 限 、 各 铝 丝 问 电 流 分 布 不 均 匀 、 高 频 电 流 在 引 线 中 形 成 的 机 械 应 力 易 使 其 焊点 撕 裂 或 脱 落 等 诸 多 问 题 ， 倒 装 芯 片 焊 球 阵 列 凸 点 互 连 的 发 展 改 变 了 这 一 状 态 。焊 料 凸 点 互 连 可 省 略 芯 片 与 基 板 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 ， 表 3 示 出 不 同 互 连 工 艺 下 的 寄 生 参 数

27、 比 较 。 以 沉 积 金 属 膜 为 基 础 的 互 连 工艺 在 各 类 基 板 或 介 质 中 埋 置 芯 片 ， 顶 层 再 贴 装 表 贴 元 件 及 芯 片 来 实 现 三 维 封 装 ， 蒸 镀 或 溅 射 的 金 属膜 与 芯 片 电 极 相 连 ， 构 成 电 路 图 形 ， 并 连 至 其 他 电 路 ， 能 增 大 芯 片 的 有 效 三 维 散 热 面 积 ， 总 体 上 有薄 膜 覆 盖 和 嵌 入 式 封 装 技 术 方 案 之 分 ， 前 者 可 制 作 耐 压 等 级 高 、 电 流 大 、 高 效 散 热 的 功 率 模 块 ； 后者 可 大 大 缩 小 模

28、 块 体 积 ， 提 高 功 率 密 度 。7.3 封 装 外 壳功 率 模 块 的 封 装 外 壳 是 根 据 其 所 用 的 不 同 材 料 和 品 种 结 构 形 式 来 研 发 的 ， 常 用 散 热 性 好 的 金 属 封 装外 壳 、 塑 料 封 装 外 壳 ， 按 最 终 产 品 的 电 性 能 、 热 性 能 、 应 用 场 合 、 成 本 ， 设 计 选 定 其 总 体 布 局 、 封装 形 式 、 结 构 尺 寸 、 材 料 及 生 产 工 艺 。 例 如 ， DBC 基 板 侧 向 、 向 上 、 向 下 引 脚 封 装 均 采 用 腔 体 插入 式 金 属 外 壳 ，

29、由 浴 盆 形 状 框 架 腔 体 和 金 属 盖 板 构 成 ， 平 行 缝 焊 封 接 密 封 封 装 。 为 提 高 塑 封 功 率 模块 外 观 质 量 ， 抑 制 外 壳 变 形 ， 选 取 收 缩 率 小 、 耐 击 穿 电 压 高 ， 有 良 好 工 作 及 软 化 温 度 的 外 壳 材 料 ，并 灌 封 硅 凝 胶 保 护 。 新 型 的 金 属 基 复 合 材 料 铝 碳 化 硅 、 高 硅 铝 合 金 也 是 重 要 的 功 率 模 块 用 封 装 外 壳材 料 。功 率 模 块 内 部 结 构 设 计 、 布 件 与 布 线 、 热 设 计 、 分 布 电 感 量 的

30、控 制 、 装 配 模 具 、 可 靠 性 试 验 工 程 、质 量 保 证 体 系 等 的 彼 此 和 谐 发 展 ， 促 进 封 装 技 术 更 好 地 满 足 功 率 半 导 体 器 件 的 模 块 化 和 系 统 集 成 化的 需 求 。8 结 束 语PIC 集 中 体 现 了 SoC 技 术 优 势 ， 功 率 、 高 压 、 大 电 流 器 件 通 常 采 用 纵 向 导 电 结 构 ， 因 制 作 工 艺 极为 不 同 而 难 以 完 成 单 片 集 成 。 在 一 定 技 术 条 件 下 ， 混 合 IC 封 装 却 有 更 好 的 技 术 性 能 与 较 低 成 本 ，并 具

31、 备 良 好 的 可 实 现 性 ， 在 信 息 电 子 中 有 很 多 成 功 之 例 ， 如 微 处 理 器 内 核 与 高 速 缓 存 封 装 构 成 奔 腾处 理 器 。 功 率 模 块 采 用 混 合 IC 技 术 方 案 ， 同 样 可 达 到 集 成 的 目 的 ， 封 装 是 最 为 关 键 的 内 核 ， 较 好地 解 决 不 同 工 艺 的 器 件 芯 片 间 的 电 路 组 合 、 高 电 压 隔 离 、 分 布 参 数 、 电 磁 兼 容 、 功 率 器 件 散 热 等 技术 问 题 ， 针 对 实 际 生 产 中 的 技 术 与 工 艺 难 点 进 行 包 装 ， 现 以 中 功 率 IPM、 DC DC 模 块 为 主 流 ，进 一 步 向 大 功 率 发 展 。