功率模块封装结构及其技术

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，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，IGBT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，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。6iPOWIRiPOWIR是一种较有代表性的多芯片模块，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。iPOWIR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，一种双路iPOWIR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。iPOWIR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iMOTION、iNTERO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。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。7.1AIN-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，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1μm，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，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。