半导体“功率模块（IPM）封装工艺技术”的详解

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继上一章讲了 《半导体功率模块（IPM）封装创新趋势分析》 之后，针对几位业内朋友的建议，我想分享一些关于功率模块（IPM）后端封装工艺技术的实用知识。因此，本章主要与大家分享这一部分。欢迎同行及感兴趣的朋友交流讨论。

一、功率模块（IPM）封装工艺技术的分类做过市场调研和分析的朋友应该知道，目前市场上流通的电源模块（IPM）根据封装工艺特点和应用场景的差异，主要可以分为三类。每一类别在技术路线、结构设计、适用领域等方面都有显着的特点。

1、智能功率模块（IPM）该类模块核心采用塑封多芯片集成设计理念，可将IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、FRD（快恢复二极管）、高低压IC（集成电路），甚至电容、电阻等无源元件高度集成封装在一个封装中。其工艺研发基于功率分立器件的传统封装设计逻辑。生产流程涵盖引线框架预处理、DBC（直接覆铜基板）基板键合、固定芯片的焊料安装、实现电路互连的金铝线混合键合以及最终的塑料封装成型等关键步骤。从应用场景来看，由于其集成适应性和功率输出特性，主要针对白色家电（如空调、冰箱的变频控制单元）、消费电子产品（如高端电源适配器）以及一些对功耗要求不高的工控场景（如小电机驱动系统）。

此外，智能功率模块（IPM）的封装工艺并不是单一的固定路线。根据芯片固定方式、基板类型和应用功率等级，可分为以下三类具体技术方案。每个解决方案都有各自侧重的流程细节和适用场景。对应的封装路线如下图所示（分为纯框架银胶安装型、纯框架软焊银胶混合安装型、焊接安装DBC型三种）：

a. 纯框架银胶装片类该工艺路线源于传统IC封装技术的延伸和优化。核心工艺包括引线框架清洗、银胶点胶、芯片安装、银胶干燥固化、铜线键合互连、最后全塑封装成型。其中，银胶的作用是实现芯片与框架的可靠固定，铜线邦定则负责芯片与框架引脚之间的电路连接。全塑封工艺，采用耐高温、防潮的环氧树脂材料，为模块提供全面的环保保护。此类工艺技术成熟度高，生产工艺稳定，良率控制难度低。但由于银胶的导热性和铜线的载流能力，所生产的IPM模块的功率水平相对较低。主要应用于小功率场景，如家电电源模块（如洗衣机电源控制单元）、小型水泵的调速变频控制系统等。

b. 纯框架软钎焊与银胶混合装片类与纯框架银胶贴片式相比，该工艺路线在结构上增加了陶瓷散热片，提高模块的散热能力，适应更高功率的要求；内部互连链路根据芯片类型的不同，采用差异化设计。功率芯片采用粗铝线粘合（粗铝线载流能力较高，可以满足功率芯片大电流传输要求）。控制芯片采用金铜线粘合（金铜线导电性较好，抗氧化性好，适合控制信号的稳定传输）。基于以上设计特点，该类模块的功率输出能力得到了显着提升，可以覆盖大部分白色家电的变频驱动需求，如空调压缩机的变频驱动、冰箱变频控制系统等。

此类功率模块（IPM）的封装路线如上图所示（以某半导体公司的SPM生产流程为例）。从具体工艺细节来看，该方案的核心特点体现在芯片安装和散热器安装两个关键环节：芯片安装分为控制芯片和功率芯片两步。控制芯片采用传统的银胶点胶工艺固定。银胶的干燥温度约为100C，而功率芯片则采用软焊工艺固定。焊接热机温度高达350C。由于两种工艺温差较大，为了避免贴装的控制芯片高温损坏，通常优先完成功率芯片的软焊；陶瓷散热器的安装采用硅胶粘合工艺。具体流程是在边框指定位置涂上硅胶，放置陶瓷散热片，并对散热片加压干燥。该环节的工艺难点主要集中在三个方面：

首先是有机硅涂层的均匀性控制。涂层不均匀会导致散热器与边框的贴合间隙不一致，影响散热效果；

二是加热、加压参数的精确控制。需要优化温度曲线和压力，保证硅胶完全固化，同时实现散热器与边框的可靠贴合（只有紧密贴合才能最大限度提高散热效率）；

三是严格控制硅胶层厚度。如果厚度太厚，陶瓷散热片在后续的塑封过程中会因塑封胶的压力而破裂。如果厚度太小，塑封胶会溢出并覆盖散热器表面，阻碍热传导。为了解决溢胶问题，在塑封工艺完成后，需要额外增加一道激光溢胶工艺，通过激光精确去除覆盖在散热器表面的多余塑料。

在键合过程中，对于夹具设计也有特殊的要求：由于粗铝线的刚度比较高，在后续生产过程中的材料传输环节中不太可能掉落，因此需要先完成粗铝线的键合；而用于金铜线键合的压板需要避开已完成键合的粗铝线区域，是为了防止压板与铝线碰撞而导致铝线变形或断裂。因此，金线和铜线的接合面积需要设计得升高。在引线框架的早期设计阶段需要考虑这一设计要求，以确保框架结构符合键合工艺要求。

c. 焊料装片 DBC 类该工艺路线的核心创新在于采用DBC基板作为芯片承载和电路互连的核心载体。 DBC基板具有优异的导热性能、良好的绝缘性能和可靠的机械强度。可同时满足功率器件内部互连要求、导热散热要求和安全绝缘要求。因此，该方案特别适合高功率应用场景，是功率模块封装技术发展的重要里程碑。

该类型电源模块（IPM）的封装路线如下图所示。从工艺流程来看，焊接式DBC功率模块（IPM）模块的生产集成了多项先进技术：首先，采用SMT（表面贴装技术）将功率芯片和无源元件（如电容、电阻）精确安装在DBC基板上的指定位置；其次，通过回流焊工艺将芯片、无源元件和DBC基板可靠固定；随后，采用粗铝线键合工艺，完成芯片与DBC基板铜层之间的电路互连；同时设计了高架引线框架结构来安装控制芯片，实现控制电路与电源电路的隔离和连接。这种设计不仅大大提高了芯片集成度，还可以通过控制芯片实现电源的智能分配和管理。美国一家半导体公司将此类模块命名为智能功率模块（SPM），以区别于传统的功率模块（IPM）。

与前两种功率模块（IPM）工艺相比，焊接安装DBC工艺的复杂性有所降低。它更多地借鉴了传统EMS（电子制造服务）行业的电路板贴装技术，如锡膏印刷、元件贴片、回流焊接、基板清洗等成熟工艺，有助于提高生产效率和工艺稳定性。然而，这一工艺面临着回流焊工艺中的关键技术挑战。 ——引线框架、DBC基板和回流焊夹具的吸热特性和热膨胀系数不同。在高温回流焊环境下，三者的热变形不同，很容易导致封装材料的位移，从而引起模组尺寸波动。为了解决这一问题，在回流焊治具的设计过程中，需要通过仿真计算分析三者的热变形规律，合理设计治具的锁紧结构：如果锁紧力过大，则材料热膨胀时产生的热应力无法释放，导致引线框架变形、翘曲；如果锁紧力过大，则材料热膨胀时产生的热应力无法释放，导致引线框架变形、翘曲；如果锁紧力不足，则无法有效固定包装材料，导致尺寸波动超出允许范围。因此，需要大量的实验验证来确定治具的最佳设计参数，以保证生产良率。

该类模块的后续工艺（如封胶、切筋、测试等）与前述两类功率模块（IPM）基本相同。但由于塑封工艺的原因，模块尺寸波动对塑封模具的适应性影响很大，特别是引线框架厚度方向的尺寸变化。如果超过模具的允许公差，会导致塑封材料填充不均匀，组件表面出现气泡、裂纹等缺陷。因此，在生产过程中，需要重点控制边框厚度等关键尺寸的波动范围。

2、灌胶盒封大功率模块灌胶封盒大功率模块的封装路线如下图所示（下图为典型的灌胶封盒模块工艺流程，涵盖了从基板预处理到最终测试的整个流程，详细标注了内部互连粘接、灌胶固化、外壳组装等关键工序的位置和操作点）。其生产工艺涵盖了很多关键环节，其中内部互连键合工艺的设置需要根据模块的设计需求和性能目标进行灵活调整：如果模块采用铜片（也称铜夹）内部互连技术，并且芯片与基板、芯片与芯片之间的电路连接直接通过铜片实现，则无需设置额外的内部互连键合工艺；但内部互连邦定工艺在两种情况下需要保留：

首先，芯片栅极尺寸极小，无法通过铜片可靠连接。需要采用细铝线键合工艺来完成栅极与控制电路之间的连接；

其次，出于成本控制或生产灵活性考虑，未采用铜片工艺，源极区仍采用粗铝线粘合，以实现电流传输。

从性能对比来看，铝引线键合方案的封装内阻较高，导热性能不如铜互连方案。因此，在对功率损耗和散热性能有严格要求的大功率应用中，应尽量避免采用铝引线键合。然而，铜内部互连技术也有明显的局限性：一方面，铜片的制造需要根据芯片尺寸、焊盘规格和电路布局来确定。局方定制设计加工无法实现通用化生产，导致生产灵活性不足；另一方面，铜片与芯片的连接通常采用锡膏回流焊接工艺，如果芯片表面采用纯铝，其可焊性较差，需要额外镀镍、钯来提高芯片表面的可焊性。这不仅增加了工艺步骤，而且增加了生产成本。综合以上因素，在封装内阻对模组性能影响不大且散热要求相对宽松的场景下，铝丝键合工艺仍被广泛使用。

为了进一步优化内部互连性能，业界还开发了粗铜线键合技术，利用铜的低电阻率和高导热率的特性，在保留键合工艺灵活性的同时，提高模块的导电性能和散热性能。该技术已在一些中高功率模块封装中逐步推广应用。

除了传统的灌胶封盒工艺外，一些公司为了提高组件的功率循环可靠性，还开发了装盒塑封工艺（功率循环可靠性是指组件在反复加热和冷却过程中的性能稳定性，是组件寿命的关键指标）。该工艺与传统灌胶盒密封工艺的核心区别在于，以灌胶工艺代替灌胶工艺，实现模组的环保。塑封材料具有更好的机械强度和环境适应性，可显着提高模块的抗冲击能力和长期可靠性。

然而盒装塑封工艺面临的核心技术难点是功能端子的安装：模块的功能端子通常长度较长。传统的灌胶工艺中，端子是机械压接并插入焊接在DBC基板上的端子座中，安装困难。但采用塑封工艺后，端子尺寸波动将直接影响后续测试环节的端子接触可靠性（如果端子尺寸偏差过大，测试探针将无法可靠接触端子，影响测试结果的准确性）。同时，塑封过程中所施加的压力也会对塑封盒体的材质选择以及盒盖的密封性能提出更高的要求：如果盒体的材料强度不足，则在塑封压力下很容易变形；如果盒盖与盒体的密封结构设计不合理，塑料密封材料可能会渗透到盒体内部，导致模块故障。因此，为了实现盒体塑封工艺的成熟稳定量产，需要投入大量的资源来研究各工序（如端子加工、盒体成型、塑封成型）引起的尺寸波动规律。通过优化塑封材料（需要具有良好的流动性、耐高温和绝缘性）、盒体材料（需要具有高强度、低翘曲特性）、盒盖密封结构，制定合理的工艺参数，可以有效控制不良率，保证生产良率和组件可靠性。双面散热塑料功率模块封装工艺线如下图所示。

3、双面散热塑封功率模块双面散热塑料电源模块是基于盒装塑料封装工艺开发的升级方案。其核心设计创新在于电路拓扑和散热结构的优化：电路拓扑采用半桥单模块设计，即单个模块集成了半桥电路的所有功能。通过组合三个这样的模块，可以构建全桥三相控制系统，以满足电机驱动等大功率应用的需求。

在结构设计上，该类型组件采用双面DBC基板和铜柱的组合。双面DBC基板位于模块的上下两侧，铜柱用于连接上下DBC层。基板用于支撑芯片与基板之间并导电；内部互连链路可以根据性能要求选择键合工艺（如铜线键合、铝线键合）或铜互连工艺；最后，整个结构通过塑料封装工艺进行封装。在塑封过程中严格控制模组厚度，确保成品模组整体薄型且易于安装集成。

在性能优势方面，双面散热塑料电源模块有很多突出的特点：

首先，电路拓扑简单，三个模块即可实现全桥三相控制，简化了系统设计和装配工艺；

二是可靠性高。塑封技术与双面DBC基板的结合，大大提高了组件的环境适应性和抗冲击能力；

第三，高功率密度、纤薄的结构设计和高集成度使模块能够实现单位体积更高的功率输出；

第四，散热性能优良。双面散热结构可同时上下两个方向散热，散热效率远高于传统单面散热模块；

第五，安装方便。纤薄的外观设计，方便了模块在有限空间内的安装，降低了系统集成的难度。

因此，功率模块（IPM）封装技术通过银胶、软焊、焊锡贴装等工艺实现对不同功率需求的适应。其中，焊接安装DBC型因其高集成度和散热性能而成为主流选择，而灌胶盒密封技术则针对SiC等特殊材料进行了优化。

二、功率模块（IPM）的封装工艺流程在现代电子产品的设计和制造中，集成电路（IC）封装技术起着至关重要的作用。特别是功率模块（IPM）的封装工艺对电气性能和可靠性的提高有直接影响，因此功率模块（IPM）的封装工艺尤为重要。下面详细讲解电源模块（IPM）的封装工艺流程，帮助您更深入地了解这一技术领域。

1、设计阶段包装过程的第一步是设计。根据电源模块（IPM）的功能要求，工程师将确定封装的形状、尺寸和引脚布局。此阶段需要综合考虑电气性能、热管理和制造成本。

2、材料选择封装材料的选择对于功率模块（IPM）的性能至关重要。常用的材料包括环氧树脂、陶瓷和金属。这些材料不仅必须提供良好的绝缘性和耐热性，而且还要符合环保标准。

3、芯片准备封装之前，芯片首先需要经过测试和筛选，确保其性能符合标准。合格的芯片将被转移到后续的封装工序。

4、焊接焊接是功率模块（IPM）封装中的关键环节。通常采用表面贴装技术（SMT）或引线框架焊接来确保芯片与基板之间的良好连接。此过程需要高精度的设备和技术以避免焊接缺陷。

5、封装成型焊接完成后，下一步就是包装成型。该工艺将封装材料加热固化，使其与芯片紧密结合，形成保护层，从而提高其抵抗外界环境影响的能力。

6、测试与检验封装完成后，功率模块（IPM）需要经过严格的测试和检验，以确保其符合电气性能和机械强度。这包括高低温测试、耐压测试和功能测试，以确保模块在实际应用中的可靠性。

7、标识与包装最后，合格的电源模块(IPM) 被标记和包装，准备装运。包装过程不仅是为了保护产品，也是为了方便后续的储存和运输。

功率模块（IPM）的封装过程涉及多个环节，每个细节都关系到最终产品的性能和可靠性。随着科学技术的不断进步，包装技术也在不断创新，以满足不断增长的市场需求。了解这一流程不仅可以帮助企业提高生产效率，还能在激烈的市场竞争中占据一席之地。

三、功率模块（IPM）的内部功能机制功率模块（IPM）内置驱动和保护电路，使系统硬件电路简单可靠，缩短系统开发时间，提高故障下的自我保护能力。与普通IGBT模块相比，功率模块（IPM）进一步提高了系统性能和可靠性。

该保护电路可实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中的保护电路工作，IGBT栅极驱动器单元将关断栅极电流并输出故障信号(FO)。各种保护功能详细如下：

1、控制电压欠压保护(UV)电源模块（IPM）采用单+15V电源。如果电源电压低于12.5V且时间超过tooff=10ms，则发生欠压保护，栅极驱动电路被封锁，并输出故障信号。

2、过温保护(OT)温度传感器安装在靠近IGBT芯片的绝缘基板上。当功率模块（IPM）温度传感器检测到基板温度超过温度值时，发生过温保护，封锁栅极驱动电路，输出故障信号。

3、过流保护(OC)如果流过IGBT的电流超过过流工作电流且时间超过toff，就会发生过流保护，栅极驱动电路被封锁，并输出故障信号。为了避免过高的di/dt，大多数电源模块(IPM) 使用两级关断模式。其中，VG为内栅驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。

4、短路保护(SC)如果负载短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流超过短路工作电流，则立即发生短路保护，栅极驱动电路被闭锁，并输出故障信号。与过流保护一样，为了避免di/dt过大，大多数IPM都采用两级关断模式。为了缩短过流保护从电流检测到故障动作之间的响应时间，在功率模块（IPM）内部采用实时电流控制电路（RTC），使响应时间小于100ns，从而有效抑制电流和功率峰值，提高保护效果。

当IPM发生UV、OC、OT、SC任一故障时，故障输出信号持续时间tFO为1.8ms（SC持续时间会更长）。在此期间，IPM将阻止栅极驱动并关闭电源模块（IPM）；故障输出信号持续时间结束后，电源模块（IPM）内部自动复位，栅极驱动通道打开。

可见，设备本身产生的故障信号是不保持的。如果tFO结束后故障源仍未消除，功率模块（IPM）将重复自动保护过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的操作条件，应避免重复动作。因此，仅依靠电源模块（IPM）内部的保护电路并不能完全实现设备的自我保护。为了使系统真正安全可靠地运行，需要辅助外围保护电路。

四、功率模块（IPM）封装工艺技术的介绍以下是本章想与大家分享的功率模块（IPM）封装工艺技术介绍相关内容。如有遗漏或不足之处，敬请谅解：