功率模塊封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)

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

2、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、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)

3、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

4、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)將多個不同工藝的芯片互連，構(gòu)成完整功能的模塊。壓接式

5、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(fù)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

6、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，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

7、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。大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率。6iPOWIRiPOWIR是一種較有代表性的多芯片模塊，它將功率器件、控制用IC、脈寬調(diào)制IC以及一些無源元件按照電源設(shè)計的需求，采用焊球陣列BGA封裝技術(shù)，組裝在同一外殼中，在生產(chǎn)中作為大開關(guān)電源形式完成測試。iPOWIR可簡化電源設(shè)計，減少外圍元件數(shù)量，壓縮占用電路板面積，并在性能上有較大提高，以更低的成

8、本來實現(xiàn)與功能齊備的電源產(chǎn)品相當?shù)目煽啃浴＠?，一種雙路iPOWIR可產(chǎn)生每路1.5A的電流輸出，其輸出組合在一起，便可獲得30A的輸出，可靠性大為提高。iPOWIR的進一步發(fā)展，被認為是DC／DC變換的未來。開發(fā)出一系列專用的iMOTION、iNTERO集成功率模塊，用以促進中小功率電機驅(qū)動的小型化、集成化、高性能、高可靠、專業(yè)化，應(yīng)用場合包括家電中的冰箱、洗衣機、空調(diào)等。7功率模塊封裝技術(shù)功率模塊的研發(fā)在很大程度上取決于功率器件和混

9、合IC封裝技術(shù)的新進展?！捌ぶ淮?，毛將焉附“。它既是芯片制造技術(shù)的延伸擴展，也是封裝生產(chǎn)多元化縱深拓展的新領(lǐng)域，所研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括DBC基板、互連工藝、封裝材料、熱設(shè)計等。7.1AINDBC封裝基板國際上，各種規(guī)格的AINDBC封裝基板可大批量商品化供貨，國內(nèi)小批量供貨遠無法滿足需求。AINDBC具有AIN陶瓷的高熱導性，又具備Cu箔的高導電特性，并可像PCB板一樣，在其表面刻蝕出所需的各種圖形，用于功率器件與模塊封裝中，表1示出幾

10、種封裝用陶瓷基板的性能比較。在AINDBC電子封裝基板的制備中，有效地控制Cu箔與AIN陶瓷基片界面上CuO共晶液相的產(chǎn)生、分布及降溫過程的固化是其工藝的重點，這些因素都與體系中的氧成分有著密切的關(guān)系，表2示出目前較常用的AIN基片金屬化技術(shù)及其基板比較，Cu箔、AIN基片在預(yù)氧化時都要控制氧化的溫度及時間，使其表面形成的A12O3薄層厚度達1μm，兩者間過渡層的結(jié)構(gòu)與成分對AINDBC基板的導熱性及結(jié)合強度影響極大，加熱敷接過程中溫度

11、、時間及氣氛的控制都將對最終界面產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及形態(tài)產(chǎn)生影響，可將0.125～0.7mm厚的Cu箔覆合在AIN基片上，各類芯片可直接附著在此基板上。在封裝應(yīng)用中，前后導通可通過敷接Cu箔之前在AIN基片上鉆孔實現(xiàn)，或采用微導孔、引腳直接鍵合針柱通道、金屬柱互連等技術(shù)，實現(xiàn)密封連接。AIN基片在基板與封裝一體化以及降低封裝成本、增加布線密度、提高可靠性等方面均有優(yōu)勢，例如，AINDBC基板的焊接式模塊與普通焊接模塊相比，體積小、重量輕、熱疲勞