IGBT作为重要的电力电子的中心器件,其可靠性是决定整个装置安全运行的重要因素。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。传统Si基功率模块封装存在寄生参数过高,散热效率差的问题,这主要是由于传统封装采用了引线键合和单边散热技术,针对这两大问题,SiC功率模块封装在结构上采用了无引线互连(wireless interconnection)和双面散热(double-side cooling)技术,同时选用了导热系数更好的衬底材料,并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等,研发出了多种不同的模块封装...
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...
使用岛津拉力机分别测试四种金属化方法制备的覆铜AlN陶瓷基板的剥离强度,使用冷热冲击试验箱测试覆铜基板可靠性,对基板进行功率循环测试和热阻测试。AlN陶瓷金属化铜层与基板的结合力大小决定了其在实际应用过程中的可靠与否,是陶瓷金属化基板的中心性能指标。本文借鉴《微电子技术用贵金属浆料测试方法附着力测定》中的方法,通过剥离强度测试金属化层的附着力。可得AMB金属化陶瓷基板陶瓷与金属化层结合力较好,剥离强度为25Mpa,接下来是DBC和TFC金属化陶瓷基板,剥离强度分别为21Mpa和15Mpa,更差的是DPC金属化基板,剥离强度只为13Mpa。电动汽车的崛起加速了功率模块封装技术的更新,IGBT自动...
目前的陶瓷基板材料主要有:Al2O3、ALN、Si3N4、BeO、SiC等。其中Al2O3陶瓷开发较早,技术更为成熟,成本更低,应用更普遍,但Al2O3陶瓷的热导率只为17~25W/(m·K),且与Si及GaAs等半导体材料的热膨胀系数匹配性较差,限制了其在高频、大功率、高集成电路中的使用。SiC陶瓷基板的热导率高,热膨胀系数与Si更为相近,但其介电性能(εr=42)较差,烧结损耗大、难以致密,成本高,限制了其大批量应用。Si3N4虽然强度、韧性高、可靠性高,以其等优异的综合热力学性能成为较有前途的大功率候选材料之一,但多晶Si3N4陶瓷在室温下的热导率均较低,且关键技术都掌握在日本,限制了在...
从单面散热器件封装结构来看,键合线连接类器件封装各层从上至下主要由顶盖、外壳、空气层、灌封剂、键合线(金属带)、芯片、芯片焊料、DBC(DBA)基板、基板焊料和底板组成。键合线连接技术较为成熟、成本低且操作上具有灵活性,被普遍用于芯片电极与功率端子的连接。但键合线连接需要在基板上预留出额外的键合面积用于电流传输,因此降低了功率密度。基板与键合线形成的电流回路也会产生较大的寄生电感、电阻以及更高的开关噪音和功率损耗,加剧芯片温升。通过自动化设备,IGBT模块的工作原理得以实现,确保快速开断和电流流向的精确控制。深圳非标超声波键合机功率器件封装结构散热设计原则:从器件散热的角度,封装结构设计应当遵...
现有press-pack封装包括直接压力接触和弹性接触两种方式,但都需要大的芯片面积且需要对芯片上层金属化进行特殊设计。SiC芯片面积比硅芯片小,芯片表面常采用铝进行金属化。为实现压力接触,采用被称作“Fuzzbuttons”的柔性微型压针插入到薄的插接体中,以产生均匀的压力分布,并使引入的寄生电感更小。该press-pack夹在两个液冷微通道散热器之间,SiC芯片连接在金属钼底板上。带有“Fuzzbuttons”微型柔性压针的压力接触插接体将SiC芯片的源极和栅极连接到上部基板。该多层结构的上基板将芯片的源极和上部铜板连接,并为栅极驱动器提供栅极和开尔文源极端子。在高低温冲击检验中,IGBT...
IGBT模块封装流程简介:1、丝网印刷:将锡膏按设定图形印刷于散热底板和DBC铜板表面,为自动贴片做好前期准备 印刷效果;2、自动贴片:将IGBT芯片与FRED芯片贴装于DBC印刷锡膏表面;3、真空回流焊接:将完成贴片的DBC半成品置于真空炉内,进行回流焊接;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;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,将各个IGBT芯片或DBC间连结起来,形成完整的电路结构。IGBT自动化设备在封装过程中减少了人工操作的错误风...
芯片下表面焊接连接,上表面采用载银硅树脂连接,以进一步降低热机械应力。栅极端子与聚酰亚胺柔性电路板连接。通过空气实现散热器与环境间的电气绝缘。芯片两侧的基板表面为翅片状热沉的连接提供了平台,可使用介电流体(如空气)进行冷却,该PCoB双面风冷模块具有与液冷等效的散热性能。研究表明,采用该封装的1200V/50ASiC肖特基二极管在空气流速为15CFM的条件下测试得到模块结到环境的热阻只为0.5℃/W。在没有散热措施时,结到环境的热阻也低于5℃/W。而对于类似大小的芯片,采用25mil的AlN陶瓷基板和12mil的镀镍铜底板封装的传统功率模块的结壳热阻已达到约0.4℃/W。将该模块通过导热脂连接...
要实现双面散热,需要对芯片的两个表面实现面连接,这样才能在芯片两侧形成两个平面,实现两个热通路。另一种实现面连接的方式是在芯片的两侧均采用DBC基板连接。通过采用“Planar-bond-all,(PBA)”的功率模块封装方法可以在芯片的上表面实现大面积键合平面互连。芯片正面朝上/朝下键合在两个DBC之间,两个铜制热沉直接连接在两侧DBC的外表面上。封装时将DBC基板、芯片、垫片、键合材料、功率端子等组装在夹具中,然后同时加热形成键合。双侧平面键合可以使封装的上下两个表面都成为散热通路。此外,热沉与DBC基板直接连接进一步降低了封装热阻。IGBT自动化设备实现了功率半导体器件封装过程中的自动化...
封装结构双面散热:随着器件功率密度的不断提高,器件封装的热管理变得愈加关键。基于上述总结与分析,优化器件封装散热路径是解决高压大电流高功率密度条件下功率器件散热、降低芯片结温的有效方案。键合线连接器件无法将芯片上表面作为散热通路,采用无键合线封装,充分利用芯片上表面进行散热,热量从芯片上下表面两个路径传递,可增强器件的散热能力,降低芯片结温,提高器件的热性能。为利用芯片上表面散热,研究人员提出了press-pack封装方法,该方法利用压力接触取代键合线和焊料,可降低杂散电感且具有更高的可靠性。该封装使器件具有双面散热的能力。IGBT自动化设备的应用提升了功率半导体模块封装的工艺技术水平,使其适...
探索IGBT模块中不同金属化方法覆铜氮化铝陶瓷基板的可靠性研究方法:使用厚度1mm的AlN陶瓷基板,无氧高导电铜箔(OFHC,0.05mm),五水硫酸铜(CuSO4·5H2O),盐酸(HCl),硫酸(H2SO4),Cu-P阳极板(P含量0.05%),AgCuTi活性金属焊膏(Ti含量4.5%),烧结Cu浆。将AlN陶瓷和铜箔切割为尺寸10mm×10mm的正方形块状,并使用1000目砂纸打磨表面,然后在蒸馏水浴中超声清洗20min备用。DPC金属化:采用磁控溅射先在AlN陶瓷表面制备厚约1μm的Ti打底层,再制备一层厚约3μm的Cu种子层增厚至约50μm,完成金属化。通过激光打标,IGBT自动化...
4种AlN基板功率循环耐测试:为了更好地评估AlN覆铜板耐久性和寿命,将4种AlN覆铜板以常规工艺封装成IGBT模块,用硅胶进行密封保护,恒定功率为1200A/3.3kV、0~85000次循环测试,验证4种AlN覆铜板IGBT模块的功率循环可靠性。器件的起始温度T0设置为45℃,Tc为循环后的温度,相对热阻Rr下式计算,可得AMB陶瓷基板IGBT模块在7万次功率循环后,模块温度为50℃,相对热阻<15%,满足电力电子器件特别是高压、大电流IGBT模块可靠性要求(相对热阻<15%)。DBC陶瓷基板IGBT模块在4万次循环前,相对热阻保持在15%以内,超过4万次,模块温度逐渐增高,相对热阻(>15...
IGBT模块的作用:要弄明白IGBT模块,就要先了解新能源汽车的电驱系统,先用一句话概括电驱系统如何工作:在驾驶新能源汽车时,电机控制器把动力电池放出的直流电(DC)变为交流电(AC)(这个过程即逆变),让驱动电机工作,电机将电能转换成机械能,再通过传动系统(主要是减速器)让汽车的轮子跑起来。反过来,把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。什么是“三电系统”和“电驱系统”?三电系统,即动力电池(简称电池)、驱动电机(简称电机)、电机控制器(简称电控),也被人们成为三大件,加起来约占新能源车总成本的70%以上,是决定整车运动性能重要的组件。通过激光打标,IGBT自动化设备能够在模块表面添...
基于面互连原理,SKiN芯片连接采用扩散银颗粒烧结取代传统键合线封装中的焊料连接,芯片烧结到DBC基板上,采用两层柔性板上的可烧结铜箔连接芯片上表面和基板,柔性板的下金属层成为功率侧,承载高功率负载电流,根据材料(铝或者铜)以及所需的电流,该金属层的厚度在100μm范围内更合适。柔性板的上下金属层彼此绝缘,上金属层为逻辑侧,只需相对较薄的厚度(30μm),主要承载栅极、辅助和感应信号。柔性板上开有通孔,可以将芯片的栅极信号引出到柔性板的逻辑侧。不同于键合线的点互连,该柔性铜箔与芯片电极之间可以达到85%的接触,而传统键合线与芯片间的接触只有21%,增大接触面积和金属层厚度可以改善传热,并且可很...
通过PCB板和DBC上铜层的层叠电流路径可抵消掉部分内部电感。从封装结构上看,虽然取消了键合线,但芯片的连接方式没有改变,芯片通过铜针连接到PCB板,采用环氧树脂进行整体密封,这也使得器件无法通过PCB板散热,只能通过基板侧进行散热。被称作PowerStep的无键合线互连功率器件封装,适用于600~1700V的器件封装。采用大面积薄金属板与芯片电极连接,金属板上刻有与芯片焊盘形状和尺寸相匹配的特征图案。取消键合线使封装外形更薄,可有效降低电感。同时,省略了底板,降低了重量、体积、成本和封装的复杂性。相比一次只能焊接一个点位的键合线连接,金属板可通过焊料、烧结膏或其他连接材料一次性连接到芯片焊盘...
半导体技术的进步极大地促进了电力电子器件的发展和应用。过去几十年里,在摩尔定律的“魔咒”下,半导体芯片尺寸不断减小,使得在同样的空间体积内可以集成更多的芯片,实现更多的功能和更强大的处理能力,为进一步提高功率密度提供了可能。另一方面,芯片尺寸的缩小也增加了芯片散热热阻,降低了热容,使得芯片结温升高,结温波动更加明显,影响功率模块的可靠性。功率半导体作为电力电子系统的主要组成部分,已经普遍应用到生活、交通、电力、工业控制、航空航天、舰船等领域。IGBT自动化设备的动态测试能够辅助优化器件的设计和生产工艺。广东专业无功老化测试设备通过PCB板和DBC上铜层的层叠电流路径可抵消掉部分内部电感。从封装...
封装结构双面散热:随着器件功率密度的不断提高,器件封装的热管理变得愈加关键。基于上述总结与分析,优化器件封装散热路径是解决高压大电流高功率密度条件下功率器件散热、降低芯片结温的有效方案。键合线连接器件无法将芯片上表面作为散热通路,采用无键合线封装,充分利用芯片上表面进行散热,热量从芯片上下表面两个路径传递,可增强器件的散热能力,降低芯片结温,提高器件的热性能。为利用芯片上表面散热,研究人员提出了press-pack封装方法,该方法利用压力接触取代键合线和焊料,可降低杂散电感且具有更高的可靠性。该封装使器件具有双面散热的能力。功率端子键合环节中,IGBT自动化设备能够实现端子的稳固连接。甘肃动态...
针对氮化铝陶瓷基板的IGBT应用展开分析,着重对不同金属化方法制备的覆铜AlN基板进行可靠性进行研究。通过对比厚膜法、薄膜法、直接覆铜法和活性金属钎焊法金属化AlN基板的剥离强度、热循环、功率循环,分析结果可知,活性金属钎焊法制备的AlN覆铜基板优于其他工艺基板,剥离强度25MPa,(-40~150)℃热循环达到1500次,能耐1200A/3.3kV功率循环测试7万次,满足IGBT模块对陶瓷基板可靠性需求。在电力电子的应用中,大功率电力电子器件IGBT是实现能源控制与转换的中心,普遍应用于高速铁路、智能电网、电动汽车与新能源装备等领域。随着能量密度提高,功率器件对陶瓷覆铜基板的散热能力和可靠性...
键合线与半导体器件间存在材料热膨胀系数的不匹配,使得线键合处往往成为易失效位点,甚至出现裂纹或者松动,导致接触不良,使键合点处的接触热阻增大,温度升高,加速该点的失效。无键合线单面散热器件芯片与基板的连接与键合线连接器件相同。无键合线面互连封装降低了封装寄生电感和电阻,大的接触面积增强了传热。上述封装结构只能通过由芯片底部的陶瓷基板和底板构成的路径进行散热。目前键合线连接的硅基器件单面散热封装结构已接近其散热极限,硅芯片的工作结温也接近其承受上限,严重影响了器件的性能,更限制了具有更高温度运行能力的SiC器件的性能。从散热的角度看,功率器件产生的热量只能通过底面传递,限制了其散热性能。在目前封...
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...
IGBT模块封装的流程大致如下:X-ray空洞检测,需要检测在敢接过程中出现的气泡情况,即空洞,空洞的存在将会严重影响器件的热阻和散热效率,以致出现过温、烧坏等问题。一般汽车IGBT模块要求空洞率低于1%;接下来是wire bonding工艺,用金属线将die和DBC键合,使用较多的是铝线,其他常用的包括铜线、铜带、铝带;中间会有一系列的外观检测、静态测试,过程中有问题的模块直接报废;重复以上工序将DBC焊接和键合到铜底板上,然后是灌胶、封壳、激光打码等工序;出厂前会做功能测试,包括电气性能的动态测试、绝缘测试、反偏测试等等。IGBT自动化设备在生产中起到关键作用,实现了IGBT模块的高效封装...
功率器件封装结构散热设计原则:针对功率器件的封装结构,国内外研究机构和企业在结构设计方面进行了大量的理论研究和开发实践,多种结构封装设计理念被国内外研究机构提出并研究,一些结构设计方案已成功应用在商用功率器件上。功率器件自身的属性及其特殊的服役环境决定了封装器件内部总是受到电场、热以及应力等多种场效应相互耦合的综合作用。功率器件的结构设计,应首先要满足电气绝缘要求,在此基础上兼顾结构设计对封装散热、芯片及封装各部件间受力等其他方面的影响。IGBT自动化设备实现了功率半导体器件封装过程中的自动化操作和控制。湖北高精度DBC底板贴装机4种AlN基板功率循环耐测试:为了更好地评估AlN覆铜板耐久性和...
基于面互连原理,SKiN芯片连接采用扩散银颗粒烧结取代传统键合线封装中的焊料连接,芯片烧结到DBC基板上,采用两层柔性板上的可烧结铜箔连接芯片上表面和基板,柔性板的下金属层成为功率侧,承载高功率负载电流,根据材料(铝或者铜)以及所需的电流,该金属层的厚度在100μm范围内更合适。柔性板的上下金属层彼此绝缘,上金属层为逻辑侧,只需相对较薄的厚度(30μm),主要承载栅极、辅助和感应信号。柔性板上开有通孔,可以将芯片的栅极信号引出到柔性板的逻辑侧。不同于键合线的点互连,该柔性铜箔与芯片电极之间可以达到85%的接触,而传统键合线与芯片间的接触只有21%,增大接触面积和金属层厚度可以改善传热,并且可很...
在2.5D结构中,不同的功率芯片被焊接在同一块衬底上,而芯片间的互连通过增加的一层转接板中的金属连线实现,转接板与功率芯片靠得很近,需要使用耐高温的材料,低温共烧陶瓷(LTCC)转接板常被用于该结构,下图为一种2.5D模块封装结构。而在3D模块封装结构中,两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连,是一种利用紧压工艺(Press-Pack)实现的3D模块封装,这种紧压工艺采用直接接触的方式而不是引线键合或者焊接方式实现金属和芯片间的互连,该结构包含3层导电导热的平板,平板间放置功率芯片,平板的尺寸由互连的芯片尺寸以及芯片表面需要互连的版图结构确定,整个结构的厚度一般小于5...
半导体技术的进步极大地促进了电力电子器件的发展和应用。过去几十年里,在摩尔定律的“魔咒”下,半导体芯片尺寸不断减小,使得在同样的空间体积内可以集成更多的芯片,实现更多的功能和更强大的处理能力,为进一步提高功率密度提供了可能。另一方面,芯片尺寸的缩小也增加了芯片散热热阻,降低了热容,使得芯片结温升高,结温波动更加明显,影响功率模块的可靠性。功率半导体作为电力电子系统的主要组成部分,已经普遍应用到生活、交通、电力、工业控制、航空航天、舰船等领域。IGBT自动化设备实现了功率半导体器件封装过程中的自动化操作和控制。黑龙江静态测试工业模块自动组装线目前的陶瓷基板材料主要有:Al2O3、ALN、Si3N...
IGBT作为重要的电力电子的中心器件,其可靠性是决定整个装置安全运行的重要因素。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。传统Si基功率模块封装存在寄生参数过高,散热效率差的问题,这主要是由于传统封装采用了引线键合和单边散热技术,针对这两大问题,SiC功率模块封装在结构上采用了无引线互连(wireless interconnection)和双面散热(double-side cooling)技术,同时选用了导热系数更好的衬底材料,并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等,研发出了多种不同的模块封装...
IGBR是具有防潮功能的大功率背接触式电阻器,可实现超高额定功率,具有适用于混合组件的微型外壳尺寸。IGBR电阻器具有高额定功率、单一引线接合组装的特性,外壳尺寸从0202到0808不等。典型应用于功率转换器(第三代SiCMOSFET)的栅极电阻器、大功率应用和替代能源等领域。IGBR是节省电源模块空间的完美部件。为什么IGBT模块中需要栅极电阻器?1.通过限制电流影响开关速度;2.限制栅极驱动路径中的噪声;3.限制寄生电感和电容;4.限制对栅极进行充电和放电的电流;5.限制峰值栅极电流以保护驱动器输出级;6.耗散栅极回路中的功率;7.影响开关损耗并防止栅极振荡。IGBT自动化设备的动态测试能...
要实现双面散热,需要对芯片的两个表面实现面连接,这样才能在芯片两侧形成两个平面,实现两个热通路。另一种实现面连接的方式是在芯片的两侧均采用DBC基板连接。通过采用“Planar-bond-all,(PBA)”的功率模块封装方法可以在芯片的上表面实现大面积键合平面互连。芯片正面朝上/朝下键合在两个DBC之间,两个铜制热沉直接连接在两侧DBC的外表面上。封装时将DBC基板、芯片、垫片、键合材料、功率端子等组装在夹具中,然后同时加热形成键合。双侧平面键合可以使封装的上下两个表面都成为散热通路。此外,热沉与DBC基板直接连接进一步降低了封装热阻。自动化设备实现了IGBT模块的快速生产和高质量标准。DB...
常见的汽车IGBT模块封装类型有哪些?Econodual 系列半桥封装,应用在商用车上为主,主要规格为1200V/450A,1200V/600A等;HP1全桥封装,主要用在中小功率车型上,包括部分A级车、绝大部分的A0、A00车,峰值功率一般在70kW以内,型号以650V400A为主,其他规格如750V300A、750V400A、750V550A等;HPD全桥封装,中大功率型车上使用,大部分A级车及以上,以750V820A的规格占据市场主流,其他规格如750V550A等;DC6全桥封装,基于UVW三相全桥的整体式封装方案,具备封装紧凑,功率密度高,散热性能好等特点。通过激光打标,IGBT自动化...
伴随着电网规模越来越大,电压等级越来越高,电力系统朝着更加智能化方向发展,高压、大功率和高开关速度要求功率器件承担的功能也更加多样化,工作环境更加恶劣,在此背景下,除芯片自身需具有较高的处理能力外,器件封装结构已成为限制器件整体性能的关键。而传统的封装或受到材料性能的限制或因其自身结构设计不能适应高压大电流高开关速度应用所带来的高温和高散热要求。为保证器件在高压高功率工况下的安全稳定运行,开发结构紧凑、设计简单和高效散热的新型功率器件,成为未来电力系统用功率器件发展的必然要求。在壳体灌胶与固化过程中,IGBT自动化设备能够确保完整的绝缘保护和固化效果。辽宁非标超声波键合机基于双基板堆叠和面互连...