功率模塊封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)

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1、功率模塊封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)摘要：本文從封裝角度評估功率電子系統(tǒng)集成的重要性。文中概述了多種功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)形式及主要研發(fā)內(nèi)容。另外還討論了模塊封裝技術(shù)的一些新進展以及在功率電子系統(tǒng)集成中的地位和作用。1引言功率（電源或電力）半導體器件現(xiàn)有兩大集成系列，其一是單片功率或高壓集成電路，英文縮略語為PIC或HIVC，電流、電壓分別小于10A、700V的智能功率器件/電路采用單片集成的產(chǎn)品日益增多，但受功率高壓大電流器件結(jié)構(gòu)及制作工藝的特殊性，彈片集成的功率/高壓電路產(chǎn)品能夠處理的功率尚不足夠大，一般適用于數(shù)十瓦的電子電路的集成；另一類是將功率器件、控制電路、驅(qū)動電路、接口電路

2、、保護電路等芯片封裝一體化，內(nèi)部引線鍵合互連形成部分或完整功能的功率模塊或系統(tǒng)功率集成，其結(jié)構(gòu)包括多芯片混合IC封裝以及智能功率模塊IPM、功率電子模塊PEBb、集成功率電子模塊等。功率模塊以為電子、功率電子、封裝等技術(shù)為基礎(chǔ)，按照最優(yōu)化電路拓撲與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原則，形成可以組合和更換的標準單元，解決模塊的封裝結(jié)構(gòu)、模塊內(nèi)部芯片及其與基板的互連方式、各類封裝（導熱、填充、絕緣）的選擇、植被的工藝流程的國內(nèi)許多問題，使系統(tǒng)中各種元器件之間互連所產(chǎn)生的不利寄生參數(shù)少到最小，功率點樓的熱量更易于向外散發(fā)，其間更能耐受環(huán)境應(yīng)力的沖擊，具有更大的電流承載能力，產(chǎn)品的整體性能、可能性、功

3、率密度得到提高，滿足功率管理、電源管理、功率控制系統(tǒng)應(yīng)用的需求。2功率模塊封裝結(jié)構(gòu)功率模塊的封裝外形各式各樣，新的封裝形式日新月異，一般按管芯或芯片的組裝工藝及安裝固定方法的不同，主要分為壓接結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、直接敷銅DBC基板結(jié)構(gòu)，所采用的封裝形式多為平面型以及，存在難以將功率芯片、控制芯片等多個不同工藝芯片平面型安裝在同一基板上的問題。為開發(fā)高性能的產(chǎn)品，以混合IC封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的多芯片模塊MCM封裝成為目前主流發(fā)展趨勢，即重視工藝技術(shù)研究，更關(guān)注產(chǎn)品類型開發(fā)，不僅可將幾個各類芯片安裝在同一基板上，而且采用埋置、有源基板、疊層、嵌入式封裝，在三維空間內(nèi)將多個不同工藝的

4、芯片互連，構(gòu)成完整功能的模塊。壓接式結(jié)構(gòu)延用平板型或螺栓型封裝的管芯壓接互連技術(shù)，點接觸靠內(nèi)外部施加壓力實現(xiàn)，解決熱疲勞穩(wěn)定性問題，可制作大電流、高集成度的功率模塊，但對管芯、壓塊、底板等零部件平整度要求很高，否則不僅將增大模塊的接觸熱阻，而且會損傷芯片，嚴重時芯片會撕裂，結(jié)構(gòu)復雜、成本高、比較笨重，多用于晶閘管功率模塊。焊接結(jié)構(gòu)采用引線鍵合技術(shù)為主導的互連工藝，包括焊料凸點互連、金屬柱互連平行板方式、凹陷陣列互連、沉積金屬膜互連等技術(shù)，解決寄生參數(shù)、散熱、可靠性問題，目前已提出多種實用技術(shù)方案。例如，合理結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計二次組裝已封裝元器件構(gòu)成模塊；或者功率電路采用芯片

5、，控制、驅(qū)動電路采用已封裝器件，構(gòu)成高性能模塊；多芯片組件構(gòu)成功率智能模塊。DBC基板結(jié)構(gòu)便于將微電子控制芯片與高壓大電流執(zhí)行芯片密封在同一模塊之中，可縮短或減少內(nèi)部引線，具備更好的熱疲勞穩(wěn)定性和很高的封裝集成度，DBC通道、整體引腳技術(shù)的應(yīng)用有助于MCM的封裝，整體引腳無需額外進行引腳焊接，基板上有更大的有效面積、更高的載流能力，整體引腳可在基板的所有四邊實現(xiàn)，成為MCM功率半導體器件封裝的重要手段，并為模塊智能化創(chuàng)造了工藝條件。MCM封裝解決兩種或多種不同工藝所生產(chǎn)的芯片安裝、大電流布線、電熱隔離等技術(shù)問題，對生產(chǎn)工藝和設(shè)備的要求很高。MCM外形有側(cè)向引腳封裝、向上

6、引腳封裝、向下引腳封裝等方案。簡而言之，側(cè)向引腳封裝基本結(jié)構(gòu)為DBC多層架構(gòu)，DBC板帶有通道與整體引腳，可閥框架焊于其上，引線鍵合后，焊上金屬蓋完成封裝。向上引腳封裝基本結(jié)構(gòu)也采用多層DBC，上層DBC邊緣留有開孔，引腳直接鍵合在下層DBC板上，可閥框架焊于其上，引線鍵合后，焊上金屬蓋完成封裝。向下引腳封裝為單層DBC結(jié)構(gòu)，銅引腳通過DBC基板預留通孔，直接鍵合在上層導體銅箔的背面，可閥框架焊于其上，引線鍵合、焊上金屬蓋完成封裝。綜觀功率模塊研發(fā)動態(tài)，早已突破最初定義是將兩個或兩個以上的功率半導體芯片(各類晶閘管、整流二極管、功率復合晶體管、功率MOSFET、絕緣柵雙

7、極型晶體管等)，按一定電路互連，用彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護材料密封在一個絕緣外殼內(nèi)，并與導熱底板絕緣的概念，邁向?qū)⑵骷酒c控制、驅(qū)動、過壓過流及過熱與欠壓保護等電路芯片相結(jié)合，密封在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化功率模塊時代。3智能功率模塊IPMIPM是一種有代表性的混合IC封裝，將包含功率器件、驅(qū)動、保護和控制電路的多個芯片，通過焊絲或銅帶連接，封裝在同一外殼內(nèi)構(gòu)成具有部分或完整功能的、相對獨立的功率模塊。用IGBT單元構(gòu)成的功率模塊在智能化方面發(fā)展最為迅速，又稱為IGBT-IPM，KW級小功率IPM可采用多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣PCB技術(shù)，大