采用Sn-Au高温焊料将基板连接到带有翅片的铜底板上,芯片焊盘和基板采用铝键合线连接。将硅凝胶灌入外壳封装并固化。该基板可以从根本上有效降低回路电感,至大问题是附加陶瓷层(SiN)增加了散热热阻。但研究结果表明,该附加陶瓷层也只使芯片结温升高了2℃,影响几乎可以忽略。采用相同原理和结构封装的器件还有很多。如采用金属带进行芯片连接的封装。金属带连接增大了键合线的载流能力。将芯片嵌入到焊接在DBC上的PCB板中,通过键合线将芯片电极连接到PCB板上。通过优化电流回路、驱动位置和栅极连接可以至小化寄生电感。上述器件在具体封装结构方面略有差异,但所采用的封装原理与传统键合线连接封装相同,这种封装形式决定了其单面散热的封装热特性,使得封装器件内部产生的热量几乎只能从芯片一侧的基板和底板传递,形成了单一的散热路径。自动化设备的使用提高了IGBT模块封装工艺的一致性和可靠性。北京专业工业模块自动组装线
IGBT模块究竟如何工作?在电控模块中,IGBT模块是逆变器的中心部件,总结其工作原理:通过非通即断的半导体特性,不考虑过渡过程和寄生效应,我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构,当直流电通过模块时,通过不同开关组合的快速开断,来改变电流的流出方向和频率,从而输出得到我们想要的交流电。IGBT模块实物长啥样?IGBT模块的标准封装形式是一个扁平的类长方体,下图为HP1模块的正上方视角,外面白色的都是塑料外壳,底部是导热散热的金属底板(一般是铜材料)。浙江动态测试共晶真空炉IGBT自动化设备通过老化检验,能够验证产品的可靠性和稳定性。
目前商用的SiC肖特基二极管受限于传统塑料封装形式,其额定工作结温上限只能达到175℃。现有SiC器件的封装仍主要采用焊接封装,考虑到芯片绝缘和隔离外界环境的目的,封装模块内部灌封有完全覆盖芯片表面的热导率较低的硅凝胶,硅凝胶上层为空气,该封装形式也使得这种从上向下的热传导成为芯片产生热量的散热通道。为了充分利用SiC器件高结温的优势,发挥SiC器件的潜力,开发新的便于芯片散热的封装结构,为芯片封装提供高效的散热路径,达到降低芯片结温,提升器件整体性能的目的,非常有必要改进现有的传统功率器件封装技术,开发新型功率器件封装结构。由此,通过增加封装器件的散热路径来提高器件散热能力的方法也就很自然的被提出。
采用烧结银工艺将芯片倒装烧结到DBC基板上,芯片背面采用铜夹连接,铜夹上连接散热器,形成芯片上表面的热通路。采用聚合物热界面材料在模块的上下表面连接两个陶瓷散热器,进行双面散热。由于芯片倒装键合面积只占芯片面积的很小一部分,接触面积较小成为限制该封装散热性能的关键。该封装中倒装芯片键合层和铜夹连接层对模块热性能的影响比连接散热器的热界面材料的影响更加明显。增大倒装芯片的键合面积有助于降低倒装芯片键合层的热阻,有利于降低芯片结温。研究表明,通过增大芯片电极金属化面积,如将芯片电极面积占比从22%提高到88%,采用倒装键合,芯片结温可降低20-30℃。建议可以通过采用扩大芯片电极金属化面积,增大键合面积的方式来降低热阻。IGBT自动化设备实现了IGBT模块封装过程的高度可重复性。
IGBT模块封装的流程大致如下:贴片→真空回流焊接→超声波清洗→X-ray缺陷检测→引线键合→静态测试→二次焊接→壳体灌胶与固化→端子成形→功能测试(动态测试、绝缘测试、反偏测试)贴片,首先将IGBT wafer上的每一个die贴片到DBC上。DBC是覆铜陶瓷基板,中间是陶瓷,双面覆铜,DBC类似PCB起到导电和电气隔离等作用,常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN);真空焊接,贴片后通过真空焊接将die与DBC固定,一般焊料是锡片或锡膏。IGBT自动化设备在封装过程中减少了人工操作的错误风险。专业真空炉生产厂家
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芯片背面可通过焊层与DBC基板连接。芯片封装上下两个外表面均为平面,可在两侧分别连接热沉进行冷却。研究表明,器件功率损失在5~300W范围内时,与键合线连接的单面液冷相比,嵌入式封装双面液冷热阻可降低45%~60%。且随着冷却流体流速的增加,散热效果更加明显。因此,使用嵌入式功率芯片封装的双面液体对流散热是改善功率半导体器件散热的可行且有效方案。与常规芯片封装相反,将芯片正面连接在DBC上,芯片背面通过铜夹引出,即可实现芯片的倒装封装,实现芯片两个表面散热。北京专业工业模块自动组装线