电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势

电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势作者：李慧梅

来源：《科学与财富》2020年第23期

摘要：随着碳排放的增加，我国越来越重视环境保护和可再生能源，电动汽车成为了新主流，汽车功率半导体模块近的技术和设计，成为功率半导体产业快增长点，本文讨论了电动汽车功率半导体模块封装的现状并简述了电动汽车功率半导体模块封装的趋势。

关键词：电动汽车;模块封装;功率模块

混合电动汽车是部分由电力驱动的汽车，纯电动汽车是全部由电力驱动的汽车，（混合和纯电动汽车HEV/EV），由于电力属于清洁能源且可以再生，可以通过太阳能或风能转化而成，大大减少了以往汽车的碳排放对环境造成的污染，所以HEV/EV被普遍认可成有益于环境的产品，帮助缓解能源危机和环境恶化，世界各级政府也在支持推广HEV/EV使用，汽车企业也在逐渐开发出性能更高的电动汽车。功率半导体模块是汽车PCU核心部件对HEV/EV的性能功效具有很大影响，通过电力转换对HEV/EV进行电力驱动控制其电力能量。

当前的汽车功率模块半导体是绝缘栅双极型晶体管和相应续流二极管，电动汽车相比传统型的汽车性能和成本都要高要求所以测试功率模块标准要比工业级别高，不同的汽车厂商门也会推出先进的绝缘栅双极型晶体管模块，例如平面转模模块、双面冷却模块等等，但功率半导体一直在汽车系统开关频率、重量、成本、效率等方面压力下具有器件封装的困难。

1、电动汽车功率半导体模块

汽车的空间有限，并且设计要考虑到重量和成本，功率模块和逆变器系统要减少重量、用封装结构、减少成本，并且绝缘栅双极型晶体管模块工作时的环境通常是高温湿、机械振动、化学污染强的，所以对其的标准更加严格确保电动汽车可靠运作，也是满足电动汽车能够使用的要求。目前电动汽车功率模块封装在电学、热力、机械和可靠度上都具有着难题和挑战，解决需要着手于两方面，功率半导体和模块封装，对器件的优化设计;制造工艺上改善，提高功率密度开关频率，改善功率的损耗和结温，但由于受到功率模块性能和封装技术限制导致功率模块及系统性能并不能达到优越保证，我们需要更先进的封装结构和技术才能解决难题。

2、最新汽车功率模块

原始的汽车模块开发结构和技术是包含平面基板，采用的真空回流焊接和引线键合技术，传统的技术如今已经不能满足电动汽车对电学和热学的要求，需要推出新的汽车应用功率模块。

2.1; 无基板和无焊接汽车功率模块

赛米控公司推出了一款無基板和无焊接汽车功率模块，凭借高可靠性的设计满足了电动汽车在冲击振动上的要求，具有稳定性、寿命长、高温度循环，其优势在于体积小重量轻，所以衬板底和散热器之间会加入一层热硅脂增加接触质量但同时也会影响模块的热力。这种新式的模块利用了无压力接触，外壳紧凑无焊接和无铅封装，银烧结技术和绝缘衬班的芯片提高了循环能力，烧结层不易老化的优点提高了模块的使用寿命;其公司还报道了一篇全银烧结技术汽车功率模块，可作为全球的第一款，全烧结技术提高了热循环能力和功率，绝缘衬板和振翅散热器烧结可以实现模块的液体直接冷却，提高了模块的热学、电学，还提高了模块可靠性。

2.2; 直接液体冷却HEV/EV功率模块

直接液体冷却HEV/EV功率模块采用了集成针翅基板，优越于无基板模块的输出功率，直接液体冷却模块变流系统受其更加可靠;当前电动汽车绝缘栅双极型晶体管模块的冷却技术是采用更高温度的冷却液实现功率器件和发动机相同冷却，但会影响功率模块的寿命和可靠性，基于直接液体冷却的冷却效率有效所以被广泛应用于电动汽车，针翅基板的制造难度和成本使其自身的一项缺点，但还需将直接液体冷却结构不断优化集成到不同系统外部冷却回路技术。

2.3; 直接端子键合汽车模块

近几年，三菱和博世企业推出了转模外壳和直接端子键合的汽车功率模块，提高了电动汽车模块可靠性，直接端子键合技术可以实现小尺寸的平面紧凑封装，采用无铅焊料实现功率芯片同功率端子和散热器焊接;这种直接端子键合技术降低了模块内部的互联电阻和寄生电感，并是芯片表面温度均匀一致，降低模块整体热阻，比传统功率模块的功率循环和热循环能力更强很多。

2.4; 平面互连和双面冷却电动汽车模块

在丰田及雷克萨斯品牌中有应用，两铜板与芯片功率两电极焊接，运用转模封装灌装，利用铜板与散热器接触将热量散出，以此实现双面冷却，但模块铜板没有与外界电绝缘在应用时要在电极与散热器之间加绝缘层。

3、电动汽车模块封装技术与趋势

3.1; 汽车模块分装新型结构

直接液体冷却功率模块由于其集成散热设计减小了模块重量体积，提高了功率密度，成为电动汽车功率半导体模块封装的标准结构。在模块基板内集成相变传热平面热管、微通道散热结构等更先进的冷却结构，对功率模块效率重量进行优化，电动汽车客户想要的对重量、成本

的要求恰好是无基板模块的优点，并在衬板集成直接冷却结构使无基板模块的冷却效率更具有优越性;现代电动汽车功率模块的主要封装趋势为平面结构，芯片电极与绝缘衬板的金属层、柔性PCB、或接触功率端子相结合。

3.2; 平面封装汽车功率模块

传统的功率模块利用铝键合引线将芯片衬板连接，但其键合点面积较小，工作的热量会向下方扩散，功率循环温度高，寿命不长;平面封装功率模块用平面金属层替代了传统芯片铝键合引线互连结构，可以为芯片上表面散热，增加了散热效率，降低热阻，使芯片表面温度均匀平衡，提高载流能力，减少了开关振动，提高安全度和工作效率，增加了功率循环寿命，在电学、热学、可靠性上都相比具有一定优势。

3.3; 企业对于电动汽车功率半导体模块封装态度

在电动车领域，汽车半导体供应商英飞凌面向几乎整个核心系统，传感器、核心系统包括逆变器、转换器和OBC，能够处理强电流的各种器件和模块，为了满足更高电流的要求，为器件提供多种方式的分装，并收购了拥有创新冷切割技术的Siltectra，利用激光分割SiC晶圆可以有效地为英飞凌提供了两倍的晶圆产能并期望未来五年全面采用冷切割技术，占据了未来市场的发展前景。

汽车半导体领域最主要的供应商之一意法半导体（ST），多年来，ST一直在进行SiC和GaN技术的研发，2017年，ST开始向汽车和工业领域供应包括车规级设计、通孔、分立式引线封装，2019年初，ST与Cree签订2.5亿美元的长期订单，确保了6 英寸SiC晶圆和外延晶圆的供应。

结语：电动汽车属于新能源开发，再生能源的使用符合我国倡导的环境保护，也是我国技术发展的一项展示，当前我国对电动汽车功率模块具有一定的开发但电动汽车功率半导体模块的封装技术也还具有一定的缺陷和不足，需要我们研究更先进的技术，如今电动汽车的受欢迎度逐日上涨，销量也是呈增长趋势，随着我国科学技术不断发展研究，电动汽车的发展也会随之呈现一片光景。

参考文献：

[1];; 陈俊，万超群，陈彦，等，大功率压接式IGBT及其在脉冲强磁场发生器中的应用[J].大功率变流技术，2017（3）：59-62.

[2];; 戴小平，王彦刚，吴义伯，& 刘国友.（2017）.电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势.电力电子技术（09），40-42.