在環(huán)保和能源可持續(xù)發(fā)展的背景下，二氧化碳排放問題受到越來越多的關(guān)注。新能源汽車憑借其環(huán)保性和可持續(xù)性的明顯優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)汽車，呈現(xiàn)出一種不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。為了進一步推動這一進程，國家政府、各省市相繼出臺各項政策措施，加大對車規(guī)級功率器件行業(yè)的扶持力度，以加速其發(fā)展進程。

近年來半導體技術(shù)的發(fā)展促使車規(guī)級功率器件封裝技術(shù)的發(fā)展和進步，在政策和技術(shù)的推動下，多種封裝形式相繼衍生。然而，相比工業(yè)應(yīng)用，車規(guī)級功率器件的應(yīng)用工況更為復(fù)雜，對其設(shè)計、制造和驗證提出了更為嚴格的高功能安全標準。

圖源?攝圖網(wǎng)

半導體技術(shù)的發(fā)展使得芯片的尺寸進一步縮小，給車規(guī)級功率器件的封裝帶來了巨大挑戰(zhàn)，國內(nèi)外廠商從結(jié)構(gòu)、制程、技術(shù)、工藝、集成化、材 料等方面對車規(guī)級功率器件進行了全面提升，促使封裝技術(shù)向著更高的功率密度、更緊湊的體積、更優(yōu)化的驅(qū)動電路、更低的系統(tǒng)成本的方向發(fā)展。

器件的封裝電感、芯片散熱和電氣絕緣等問題，以及器件內(nèi)部的耦合效應(yīng)，與器件的熱學、電學、機械性能和可靠性密切相關(guān)，特別是車規(guī)級功率器件，其可靠性問題是封裝關(guān)鍵技術(shù)研究的重點。因此，需要深入研究車規(guī)級功率器件的可靠性問題，才能探索適應(yīng)市場發(fā)展需求的車規(guī)級功率器件封裝結(jié)構(gòu)。

在上述研究背景下，本文將緊密圍繞車規(guī)級功率器件的封裝關(guān)鍵技術(shù)和可靠性研究現(xiàn)狀，從實際應(yīng)用需求角度出發(fā)，深入剖析封裝設(shè)計和可靠性問 題及其難點。首先，詳細闡述車規(guī)級功率器件的應(yīng)用場景及發(fā)展需求；其次，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計水平和主要廠商對車規(guī)級功率器件的封裝關(guān)鍵技術(shù)進行歸納，并對可靠性研究難點進行總結(jié)；最后，歸納需要重點研究的問題，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)現(xiàn)有可行的解決方案。今天我們先詳細闡述一下車規(guī)級功率器件的應(yīng)用場景及發(fā)展需求，后面的內(nèi)容將陸續(xù)放出

一、車規(guī)級功率器件封裝現(xiàn)狀及需求

1. 封裝現(xiàn)狀

車規(guī)級功率器件的封裝方案可分為以下兩類：多分立器件并聯(lián)式方案和功率模塊式方案，圖 1 為兩種封裝方案的基本結(jié)構(gòu)。圖1(a)為多分立器件并聯(lián)式方案的基本結(jié)構(gòu)，功率芯片焊接在以銅基底為支撐面的底座上，通過內(nèi)部的連接線引出芯片的電極，管腳直插式焊接。分立器件大多基于標準封裝，工藝成熟，成本低，采購周期短，提高了開發(fā)設(shè)計的適應(yīng)性和適配性。

圖 1 車規(guī)級功率器件的封裝方案

圖1(b)為功率模塊式方案的基本結(jié)構(gòu)，隔離構(gòu)造，芯片之間通過焊錫與鍵 合線相連，銅箔附著在陶瓷基板的上下兩面，上層銅箔與芯片及端子連接，下層銅箔與散熱基板連接。可以容納多個功率芯片串并聯(lián)，可應(yīng)用于更高功率的場合，通過提高內(nèi)部設(shè)計達到更高的可靠性和魯棒性。

圖 1 車規(guī)級功率器件的封裝方案

功率模塊式方案憑借其高功率密度的封裝優(yōu)勢又衍生出各具特色的封裝方式，典型代表有 HybridPACK 封裝、EasyPACK 封裝、功率集成模塊（PIM）封裝和雙面散熱（DSC）封裝，如圖2 所示。HybridPACK 封裝具有高集成度、體積小、質(zhì)量輕的特點；EasyPACK 封裝的特點是簡化集成，降低電感，即插即用；PIM 封裝將多電路集成到單個模塊中，高效、可靠、緊湊；DSC 封裝則實現(xiàn)了雙面散熱且空間利用率高，熱性能和可靠性好。

圖2 功率模塊式方案封裝典型代表

2)主要應(yīng)用場景

與燃油汽車相比，新能源汽車功率半導體器件的用量明顯增長，廣泛應(yīng)用于車載充電機（OBC）、功率控制單元（PCU）等部件中。OBC 是實現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng) AC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池組充電的關(guān)鍵部件。與 PCU 相比 OBC 的功率等級較低，功率器件產(chǎn)品往往具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度高的優(yōu)勢，一般采用分立式封裝和 EasyPACK 封裝。以功率器件制造廠商德國 Infineon 公司為例，針對 OBC 用功率器件的封裝設(shè)計，Infineon 公司開始采用 TO247-3 和 TO247-4 封裝的 SiC 功率器件，而后是 TO263-7 貼片封裝的 SiC 功率器件，近幾年則推出了 QDPAK TSC 頂部散熱封裝技術(shù)，如圖 3 所示。

圖 3 OBC 用功率器件封裝技術(shù)發(fā)展主要歷程

PCU 是實現(xiàn)電池組經(jīng) DC/AC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電機的關(guān)鍵部件，功率等級相對較高，因此對其功率器件的功率密度和可靠性提出了更高要求。以 Infineon 公司為例，其車規(guī)級功率器件產(chǎn)品早期采用 Si 基 IGBT 的平面型、波浪型 HybridPack Drive（HPD）封裝，而后采用針翅(Pin-Fin)型 HPD 封裝，再進一步將 Al2O3 基板更換為 AlN 基板并將電流提高到 950 A,之后提出用雙面散熱塑封 DSC 模塊降低熱阻提高功率密度。但考慮到雙面塑封 DSC 模塊封裝應(yīng)力會導致芯片柵極失效，為了消除此影響，現(xiàn)有封裝形式多采用單面直冷塑封模塊，封裝內(nèi)部采用銅帶鍵合和納米銀燒結(jié)技術(shù)，如圖 4 所示。

圖 4 PCU 用功率器件封裝技術(shù)發(fā)展主要歷程

2. 發(fā)展方向及需求

針對車規(guī)級功率器件的封裝設(shè)計，很多學者和器件廠商進行了研究，本文將圍繞以下幾個重難點，對已有封裝設(shè)計發(fā)展方向進行總結(jié)，并參考已有模塊設(shè)計給出相應(yīng)的發(fā)展需求。

1）高功率密度和高工作效率

車規(guī)級功率器件影響著整車的充電效率和行駛工況，要具備盡可能高的功率密度和工作效率。若應(yīng)用第三代寬禁帶半導體材料的 SiC MOSFET 和 GaN HEMT等半導體器件，能使電動汽車的能耗在降低的同時，獲得更好的性能和里程表現(xiàn)，并且可以大大縮短能源補給時間。

目前特斯拉、比亞迪、蔚來均已有車型采用了全 SiC 模塊主逆變器，且已有幾十家車企在 OBC 上采用了 SiC 技術(shù)；晶體管外形（TO）封裝的多分立器件并聯(lián)式方案，通過先進的均流技術(shù)可以在性能不變的情況下降低單個器件的電流負擔，降低溫度并提高效率。

Infineon 公司的無引線封裝有助于減少導通電阻（Rds,on）和提高載流能力；ABB 基于堆疊陶瓷基板結(jié)構(gòu)的大電流 SiC 功率模塊的 3D 結(jié)構(gòu)，可以更加靈活地控制各電位信號并將多個半導體并聯(lián)工作，實現(xiàn)模塊的快速開、關(guān)切換。

Infineon無引線 SMD 封裝

2）強散熱能力和低熱阻

大功率混合動力汽車（HEV）/電動汽車（EV）的使用對電驅(qū)動系統(tǒng)的熱管理提出了更高要求，要兼具承受較高局部電流和損耗密度的能力，需要提升散熱能力、降低熱阻。

對稱設(shè)計的雙面散熱結(jié)構(gòu)可以將模塊的散熱效率提高一倍，等效芯片的結(jié)-殼熱阻（Rth,j-c）降低了約 50%，從而大大降低了結(jié)溫（Tj），提高了熱性能和可靠性；集成針翅基板的直接液體冷卻（DLC）模塊消除了導熱硅脂的負面影響，具有優(yōu)越的熱性能；無基板結(jié)構(gòu)、無襯板結(jié)構(gòu)，如直接芯片鍵合到母排、襯板直接液體冷卻、襯板基板一體化設(shè)計、集成液體循環(huán)冷卻通道等，其設(shè)計目標是通過簡化模塊結(jié)構(gòu)，減少結(jié)合層，去除熱界面材料（TIM），實現(xiàn)降低熱阻抗，降低 Tj，增加熱穩(wěn)定性和可靠性。

Infineon 采用了 Pin-Fin 和 DSC 相結(jié)合的散熱結(jié)構(gòu)以增強模塊散熱能力；Infineon 采用的擴散焊互連技術(shù)可以降低 Rth,j-c；Y.Y.Chen 等人提出了基板集成相變散熱結(jié)構(gòu)的 IGBT 器件，提高了溫度均勻性，有助于器件散熱；ABB 的印制電路板（PCB）嵌入式封裝可以增強器件的散熱能力并降低熱阻；Semikron 的 SKiM 技術(shù)將芯片通過銀燒結(jié)與絕緣襯板相結(jié)合，克服了無基板結(jié)構(gòu)襯板底部和散熱器間導熱硅脂材料對模塊熱性能和可靠性的影響；Semikron 的芯片直接壓接技術(shù)可以降低封裝熱阻；ST 的 SLLIMM HP 系列智能功率模塊采用直接覆銅（DBC）HPS（Al2O3，質(zhì)量分數(shù)為 9%的 ZrO2）基板以提高其散熱能力，其推出的 ACEPACKTM SMIT 功率器件封裝頂部絕緣散熱采用 DBC 貼片技術(shù)，實現(xiàn)了高效的封裝頂部冷卻。

賽米控丹佛斯?SKiM 技術(shù)

3）低寄生參數(shù)

寄生參數(shù)包括回路總電感、分布電感和電阻，寄生參數(shù)會影響功率器件的開關(guān)損耗，功率器件的開關(guān)瞬變還會帶來一系列器件和封裝內(nèi)部電磁寄生效應(yīng)問題。

Infineon 在 HybridPACK 模塊中采用了高水平電流對稱性設(shè)計，可以降低雜散電感；Infineon 的 EasyPACK 功率模塊通過采用并行化帶狀線設(shè)計，也達到了降低模塊雜散電感的目的；一些改進型引線鍵合結(jié)構(gòu)通過減小換流回路長度、優(yōu)化功率端子、改進芯片布局方式等思路降低回路寄生電感。

英飛凌 EasyPACK 系列產(chǎn)品

4）高絕緣能力

功率芯片在使用過程中要避免與外界接觸，否則芯片電路將受到空氣中的污染或雜質(zhì)顆粒的腐蝕或影響，導致功率器件電氣性能降低甚至使電路失效。在 SiC 功率器件內(nèi)部高電場強度下，電化學腐蝕過程將尤為嚴重，需要通過采用高強度的頂部封裝材料等措施，應(yīng)對由 SiC 功率器件強內(nèi)外磁場所帶來的高絕緣需求。

采用灌封膠進行封裝可以提升器件在高溫和高壓下的電氣絕緣能力；絕緣材料在過高的溫度下也可能發(fā)生老化和性能的下降，合理設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)對提升功率器件的絕緣能力也十分重要；采用塑封功率集成模塊可以提高器件的可靠性、抗震性和防塵防水性能；TOSHIBA 的塑封模塊式柵極注入增強型晶體管（IEGT）器件為了獲得更好的絕緣性而采用了高相對漏電起痕指數(shù)（CTI）的材料。

東芝塑料模塊式 IEGT 器件 PMI

5）高集成度

TOSHIBA 碳化硅功率模塊的新封裝?iXPLV?

除上述外，還有低成本、采購周期短、耐久性好、便于使用和優(yōu)化升級等發(fā)展需求。對于車規(guī)級功率器件的封裝設(shè)計來說，滿足不同應(yīng)用場景、適應(yīng)高標準的發(fā)展需求、從不同角度綜合考慮、達到多維度優(yōu)化的最佳效果，依然是一個值得研究的復(fù)雜問題，后續(xù)內(nèi)容請持續(xù)關(guān)注。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：車規(guī)級功率器件的封裝關(guān)鍵技術(shù)（上）