(最新整理)功率模块封装结构及其技术
功率电子封装结构详解
1. 前言封装技术是一种将芯片与承载基板连接固定、引出管脚并将其塑封成整体功率器件或模块的工艺，主要起到电气连接、结构支持和保护、提供散热途径等作用[4]。
封装作为模块集成的核心环节，封装材料、工艺和结构直接影响到功率模块的热、电和电磁干扰等特性。
目前成熟的封装技术主要是以银胶或锡基钎料等连接材料、引线连接等封装结构为主，耐高温、耐高压性能差，电磁兼容问题突出，无法提供高效的散热途径。
近来，烧结银互连材料、三维集成封装结构等由于具有优异的耐高温、高导热性能，可以实现双面散热、大幅降低开关损耗，使得功率模块具有良好的热、电特性和可靠性，获得了越来越多的研究和关注，有望满足第三代半导体器件在高温、高压和高频领域的可靠应用。
本文针对功率电子封装结构设计的最新研究进展进行了总结和展望。
2. 封装结构根据芯片组装方式和互连工艺的不同，功率电子封装结构可分为焊接式封装和压接式封装两种形式。
封装结构的发展趋势如图4所示，其中焊接式封装可以采用引线键合、倒装芯片(BGA互连)、金属柱互连、凹陷阵列互连、沉积金属膜互连等结构。
压接式封装是借助外界机械压力形成互连结构。
为了便于对比分析，将上述几种封装方式的优缺点列于表6[18]。
引线键合具有技术成熟、成本低、布线灵活等优点。
然而，引线键合的模块具有较高的寄生电感，只能从底板单面散热[18]。
并且，由于键合引线和芯片的CTE不匹配，产生较大的热-机械应力，使得焊点易疲劳失效，成为模块在功率循环过程中最主要的失效形式。
图4 封装结构的发展趋势[5]表6 封装结构对比[18]目前功率电子封装结构逐渐从传统的引线键合标准封装结构向二次注塑(Overmold)、双面连接(Double-Side Bonding)、器件集成(Component IntegraTIon)、三维功率集成封装结构(3D Power IntegraTIon)发展。
通过去除引线，可以降低电磁干扰、提高散热效率、增大集成度。
智能功率模块的封装结构和发展趋势
智能功率模块的封装结构和发展趋势摘要：智能功率模块作为一种集成度高、功率密度大的功率电子器件，广泛应用于电力传输、工业自动化、新能源等领域。
封装结构是智能功率模块的重要组成部分，对其性能和可靠性有着重要影响。
因此，研究智能功率模块的封装结构和发展趋势具有重要意义。
关键词：智能功率；模块；封装结构；发展趋势引言随着电子设备的智能化和高效化发展，智能功率模块在能源管理和电力电子领域的应用日益广泛。
传统的封装结构已经无法满足对功率模块的高集成度、高可靠性和高效率的需求。
因此，探索新型封装结构，并改进现有封装技术，成为了智能功率模块研究的热点之一。
本文旨在分析智能功率模块的封装结构演变和发展趋势，为相关研究和应用提供参考和指导。
1、智能功率模块的封装结构智能功率模块的封装结构是基于应用需求和技术进展进行不同设计的。
根据封装结构的不同，智能功率模块可以分为以下几种类型：单片封装、双片封装和多片封装。
首先，单片封装是将功率半导体器件、控制电路和传感器等集成在一个芯片上的封装结构。
这种封装结构具有体积小、成本低的特点。
由于各功能模块集成在一个芯片上，单片封装的智能功率模块体积较小，适用于空间有限的应用场合。
同时，单片封装还可以提供更好的电路布局和信号传输，减少电路阻抗和串扰，提高模块的性能和稳定性。
其次，双片封装是将功率半导体器件和控制电路分别集成在两个芯片上的封装结构。
功率半导体器件和控制电路的分离设计使得模块的功率器件和电路的优化设计更为灵活和可行。
此外，双片封装还可以实现功率模块的模块化设计，即可以根据需求选用不同的功率器件和控制电路芯片，提供更高的定制性和灵活性。
双片封装还可以提高功率模块的散热性能，通过独立散热结构和热导路径的设计，有效降低功率模块的温度，提高模块的稳定性。
再次，多片封装是将更多的功能和空间集成在一个模块中的封装结构。
多片封装可以将功率半导体器件、控制电路、传感器、通信接口等多个功能模块集成在一个模块中，提供更多的接口和功能扩展性。
一种多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法
一种多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法
一种多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法可以采用以下步骤进行：
1. 封装结构设计：设计一个适用于多芯片并联的模块封装结构。
该结构应包括多个芯片安装位置、散热结构、电源接口和信号引脚等。
可以采用多层PCB板的结构，使芯片可以并排安装
在不同的层上，以便节省空间。
同时，要考虑到散热问题，可以设计散热片或散热通道供热量散发。
2. 封装材料选择：选择适合多芯片并联的封装材料。
这些材料应具有良好的导热性和绝缘性能，以便有效地散热并保证电路的安全性。
3. 芯片安装：将多个芯片安装到封装结构中的相应位置上。
可以采用焊接、贴片或者其他适当的方法进行芯片的固定。
4. 焊接连接：根据芯片之间的连接方式，进行焊接连接。
可以使用焊锡球、焊锡线或者其他适当的焊接工艺进行连接。
5. 散热设计：设计散热结构，确保多芯片并联的功率模块能够有效地散发热量。
可以采用散热片、散热通道或者其他散热结构。
6. 电源接口和信号引脚设计：设计电源接口和信号引脚位置，使其方便与其他电路的连接。
7. 封装完成：完成封装过程，对封装好的多芯片并联功率模块进行测试和验证，确保其正常工作。
总之，多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法需要考虑到芯片安装、焊接连接、散热设计等因素，并选择适当的封装材料和封装工艺，以确保模块的稳定性和可靠性。
SiC功率模块封装技术及展望
摘要SiC MOSFET器件的集成化、高频化和高效化需求，对功率模块封装形式和工艺提出了更高的要求。
本文中总结了近年来封装形式的结构优化和技术创新，包括键合式功率模块的金属键合线长度、宽度和并联数量对寄生电感的影响，直接覆铜（DBC）的陶瓷基板中陶瓷层的面积和高度对寄生电容的影响，以及采用叠层换流技术优化寄生参数等成果；综述了双面散热结构的缓冲层厚度和形状对散热指标和应力与形变的影响；汇总了功率模块常见失效机理和解决措施，为模块的安全使用提供参考。
最后探讨了先进烧结银技术的要求和关键问题，并展望了烧结封装技术和材料的发展方向。
前言近几十年来，以新发展起来的第3代宽禁带功率半导体材料碳化硅（SiC）为基础的功率半导体器件，凭借其优异的性能备受人们关注。
SiC与第1代半导体材料硅（Si）、锗（Ge）和第2代半导体材料砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、GaAsAl、GaAsP 等化合物相比，其禁带宽度更宽，耐高温特性更强，开关频率更高，损耗更低，稳定性更好，被广泛应用于替代硅基材料或硅基材料难以适应的应用场合。
（1）禁带宽度更宽：SiC 的禁带宽度比Si高3倍以上，使其能耐受的击穿场强更高（临界击穿场强是Si基的10倍以上），故器件能承受的峰值电压更高、能输出的功率更大。
相同电压等级下，SiC功率半导体器件的漂移区可以做得更薄，可使整体功率模块的尺寸更小，极大地提高了整个功率模块的功率密度。
另外，导通电阻R on 与击穿场强的三次方成反比例关系，耐击穿场强的能力高，导通电阻小，减小了器件开关过程中的导通损耗，提升了功率模块的效率。
（2）耐温更高：可以广泛地应用于温度超过600 ℃的高温工况下，而Si基器件在600 ℃左右时，由于超过其耐热能力而失去阻断作用。
碳化硅极大提高了功率器件的耐高温特性。
（3）热导率更高：SiC器件的热导率比Si高3倍以上，高导热率提升了器件和功率模块的散热能力，减低了对散热系统的要求，有利于提高功率模块的功率密度。
碳化硅功率模块封装技术综述
摘要碳化硅作为宽禁带半导体的代表，理论上具有极其优异的性能，有望在大功率电力电子变换器中替换传统硅IGBT，大幅提升变换器的效率以及功率密度等性能。
但是目前商用碳化硅功率模块仍然沿用传统硅IGBT 模块的封装技术，面临着高频寄生参数大、散热能力不足、耐温低、绝缘强度不足等问题，限制了碳化硅半导体优良性能的发挥。
为了解决上述问题，充分发挥碳化硅芯片潜在的巨大优势，近年来出现了许多针对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案，重点关注碳化硅功率模块封装中面临的电、热以及绝缘方面的挑战。
本文从优化设计方法所依据的基本原理出发，对各种优化技术进行分类总结，涵盖了降低高频寄生电感、增强散热性能、提高耐高温能力以及提升绝缘强度的一系列相关技术。
在此基础上，对相关的可靠性问题进行总结。
最后基于碳化硅功率模块封装技术的现状，对相关技术的未来发展进行了展望。
0 引言功率半导体在电力电子系统中占据核心的地位。
经过几十年的发展，硅半导体已经接近理论性能极限，无法满足越来越高的变换器性能要求。
自21世纪以来，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）为主的宽禁带半导体受到越来越多的关注。
碳化硅的绝缘击穿场强是硅的10 倍，而同等耐压下的漂移区电阻理论上可以降低到硅的1/300，在保证“高耐压”能力的同时，实现“低导通电阻”、“高开关速度”以及“高开关频率”的特性。
另外，碳化硅材料的带隙宽度是硅的 3 倍，因此碳化硅功率半导体芯片在高温条件下也可以稳定工作。
功率芯片通过封装实现与外部电路的连接，其性能的发挥则依赖着封装的支持，在大功率场合下通常功率芯片会被封装为功率模块进行使用。
传统的功率模块封装结构如图 1 所示。
其封装方式足以满足硅半导体的特性需求，但在将其应用于碳化硅半导体时，则会遇到一些挑战，限制了碳化硅半导体优异特性的发挥。
目前碳化硅功率模块封装的主要挑战体现在电性能的发挥、芯片的热管理、芯片的高温运行以及长期可靠的绝缘三个方面。
功率模块封装技术
功率模块封装技术功率模块封装技术是将功率电子设备（如功率半导体器件、散热器等）进行封装以达到保护、散热和连接电路的目的。
以下是一些常见的功率模块封装技术：1.多芯片模块封装（MCM）：MCM技术是将多个功率器件（如晶体管、二极管等）和其他电子组件（如电感、电容等）集成在同一封装中。
这种封装方式具有高集成度和小封装尺寸的优点，能够提供更高的功率密度和更好的电热性能。
2.厚膜集成电路（HTCC）封装：HTCC封装是一种利用陶瓷基板进行封装的技术。
它使用陶瓷基板作为功率模块的载体，通过厚膜技术将功率器件和其他电子元件集成在陶瓷基板上。
HTCC封装具有良好的散热性能、耐高温和高电压的特点，适用于高功率和高频率应用。
3.薄膜封装技术：薄膜封装是将功率电子器件通过薄膜封装在基底上的技术。
薄膜封装可以提供更小的封装尺寸和更好的散热性能。
常见的薄膜材料包括有机瓦楞纸板（OPCB）、聚酰亚胺（PI）膜等。
4.直插式封装（DIP）：DIP封装是一种传统的封装技术，适用于中低功率的应用。
功率器件通过导线插入直插式封装的孔中，然后通过焊接固定。
DIP封装具有良好的耐压性能和便于维修的特点，但功率密度相对较低。
5.表面贴装封装（SMT）：SMT封装是一种现代化的封装技术，适用于小型、低功耗电子设备。
制造工艺简单，通过把功率电子器件直接贴附在印刷电路板（PCB）的表面上，并通过焊接连接。
SMT封装具有封装尺寸小、重量轻、制造成本低等优点。
这些封装技术可以根据功率模块的具体需求和应用领域进行选择。
不同的封装技术在功率密度、散热性能、尺寸、制造成本等方面有差异，并适用于不同功率范围的应用需求。
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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。
6 i POWIRi POWIR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.i POWIR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i POWIR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.i POWIR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i MOTION、i NTERO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。
7.1 AIN—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。