作为新型功率半导体器件的主流器件,IGBT应用非常广泛,如家用电器、电动汽车、铁路、充电基础设施、充电桩,光伏、风能,工业制造、电机驱动,以及储能等领域。
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IGBT模块是新一代的功率半导体电子元件模块,诞生于20世纪80年代,并在90年代进行新一轮的改革升级,通过新技术的发展,现在的IGBT模块已经成为集通态压降低、开关速度快、高电压低损耗、大电流热稳定性好等等众多特点于一身,而这些技术特点正式IGBT模块取代旧式双极管成为电路制造中的重要电子器件的主要原因。
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近些年,电动汽车的蓬勃发展带动了功率模块封装技术的更新迭代。目前电动汽车主逆变器功率半导体技术,代表着中等功率模块技术的先进水平,高可靠性、高功率密度并且要求成本竞争力是其首先需要满足的要求。
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功率器件模块封装结构演进趋势
IGBT作为重要的电力电子的核心器件,其可靠性是决定整个装置安全运行的最重要因素。由于IGBT采取了叠层封装技术,该技术不但提高了封装密度,同时也缩短了芯片之间导线的互连长度,从而提高了器件的运行速率。
按照封装形式和复杂程度,IGBT产品可以分为裸片DIE、IGBT单管、IGBT模块和IPM模块。
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1、裸片DIE:由一片晶圆切割而成的多颗裸片DIE;
2、IGBT单管:由单颗DIE封装而成的IGBT分立器件,电流能力小,适用于家电等领域;
3、IGBT模块:由多颗DIE并联封装而成,功率更大、散热能力更强,适用于新能源汽车、高铁、光伏发电等大功率领域;
4、IPM模块:在IGBT模块外围增加其他功能的智能功率模块(IPM);
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IGBT被称成为“功率半导体皇冠上的明珠”,广泛应用于光伏电力发电、新能源汽车、轨道交通、配网建设、直流输电、工业控制等行业,下游需求市场巨大。IGBT的核心应用产品类型为IGBT模块。IGBT模块的市占率能够达到50%以上,而IPM模块和IGBT单管分别只有28%左右和20%左右。从产品的投资价值来看,由于IGBT模块的价值量最大,有利于企业快速提升产品规模,其投资价值最大。
IGBT 应用领域
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实现IGBT国产化,不仅需要研发出一套集芯片设计、晶圆制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等于一体的成熟工艺技术,更需要先进的工艺设备。
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随着芯片减薄工艺的发展,对封装提出了更高的要求。封装环节关系到IGBT是否能形成更高的功率密度,能否适用于更高的温度、拥有更高的可用性、可靠性,更好地适应恶劣环境。
IGBT模块封装是将多个IGBT集成封装在一起,以提高IGBT模块的使用寿命和可靠性,体积更小、效率更高、可靠性更高是市场对IGBT模块的需求趋势。常见的模块封装技术有很多,各生产商的命名也不一样,如英飞凌的62mm封装、TP34、DP70等等。一个IGBT模块的封装需经历贴片、真空焊接、等离子清洗、X-RAY照线光检测、键合、灌胶及固化、成型、测试、打标等等的生产工序。
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IGBT封装工艺流程
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IGBT模块封装流程简介
IGBT封装环节包括:丝网印、贴片、键合、功能测试等环节。这其中任何一个看似简单的环节,都需要高水准的封装技术和设备配合完成。
例如贴片环节,将IGBT芯片与FRED芯片贴装于DBC印刷锡膏表面。这个过程需要对IGBT芯片进行取放,要确保贴片良率和效率,就要求以电机为核心的贴片机具有高速、高频、高精力控等特点。
随着新能源汽车行业的高速发展,对高功率、高密度的IGBT模块的需求急速增加,很多汽车厂商都已走上了IGBT自研道路,以满足整车生产需求,不再被上游产业链“卡脖子”。
要生产具有高可靠性的IGBT模块,高精度芯片贴装设备必不可少。
高质量的焊接技术,才能生产出高可靠性的产品。一般回流焊炉在焊接过程中会残留气体,并在焊点内部形成气泡和空洞。超标的焊接气泡会对焊点可靠性产生负面的影响,包括:
(1) 焊点机械强度下降;
(2) 元器件和PCB电流通路减少;
(3)高频器件的阻抗增加明显;
4. 导热性降低导致元器件过度升温。
真空回流焊接工艺是在回流焊接过程中引入真空环境的一种回流焊接技术,相对于传统的回流焊,真空回流焊在产品进入回流区的后段,制造一个真空环境,大气压力可以降到 5mbar(500pa)以下,并保持一定的时间,从而实现真空与回流焊接的结合,此时焊点仍处于熔融状态,而焊点外部环境则接近真空,由于焊点内外压力差的作用,使得焊点内的气泡很容易从中溢出,焊点空洞率大幅降低。低的空洞率对存在大面积焊盘的功率器件尤其重要,由于高功率器件需要通过这些大面积焊盘来传导电流和热能,所以减少焊点中的空洞,可以从根本上提高器件的导电导热性能。
4、超声波清洗
:
通过清洗剂对焊接完
成后的DBC半成品进行清洗,以保证IGBT芯片表面洁净度满足键合打线要求求。
5、X-RAY缺陷检测
:
通过X光检测筛选出空洞大小符合标准的半成品,防止不良品流入下一道工序;
6、自动键合:
通过键合打线,IGBT芯片打线将各个IGBT芯片或DBC间连结起来,形成完整的电路结构。