2.4.3　电源模块、功率模块封装结构及关键技术

电力电子模块的封装形式多种多样，但内部结构大同小异，本质上都是由不同材料封装而成的多层结构。

图2-19所示为常见电源、功率元器件封装结构示意图，主要包括功率芯片（如IGBT、SBD）、封装基板（如陶瓷基板）、底板（Baseplate）、散热器（Heatsink）等。它们采用焊料（Solder）焊接在一起。芯片和基板之间通过引线键合等互连方式（Interconnection）连接。核心元器件及互连架构被阻燃塑壳（Plastic Case）保护在内，通过母排（Busbar Connection）与外部连通。此外还有凝胶、导热油脂（Thermal Grease）等封装保护材料。

图2-19　常见电源、功率元器件封装结构示意图

电源模块、功率模块在工作时会因为高压和大电流而产生大量的热量，若这些热量不能及时在传导到外壳之前散出，则元器件自身的温度将不断升高。在实际应用中，电源模块的常见失效原因就是由热循环引起的。不同材料之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会导致层与层之间彼此分离，即使填充了凝胶材料（Gel Filling），也无法解决由此引发的热量累积问题。功率模块的封装缺陷可以分成三类：芯片装片（Die Attach）时的焊料缺陷、互连（Interconnection）时出现的引线缺陷或倒装缺陷、塑封成型基板焊接（Substrate Attach）时的分层缺陷。

电源模块、功率模块的研发速度在很大程度上取决于异质集成和功率元器件技术的新进展及封装材料。关键技术包括互连、焊接、陶瓷基板等。

1. 互连技术

引起电源模块、功率模块失效的常见原因是温度波动和功率循环，通常根据键合引线的弯曲程度和连接方法确定失效原因。界面材料之间热膨胀系数有差异，在元器件受热时，热应力可能造成键合点出现裂纹，使键合引线及键合部位渐变，最终导致引线脱离焊盘，造成互连失效。金线、铝线、银线、金银合金线、铜线等是用于键合的引线材料。其中，铝线应用最多。出于电性能、导热性能、热循环影响及成本方面的考虑，模块中芯片互连已向铜线键合、无引线键合、无IMC连接（如Cu-Cu键合）方向发展。Infineon在低功率设备中已经广泛使用铜线键合工艺。因为与金线键合、倒装键合工艺相比，铜线键合在保证性能的同时成本更低。对于Semikron公布的3D Skin技术，所有的界面都使用银烧结技术，将引线替换为柔性PCB箔，将芯片正面烧结到柔性板上，而背面烧结在DBC（Direct Bonded Copper，覆铜陶瓷）基板上，DBC基板的另一面烧结到散热片上。

Semikron 3D Skin技术示意图如图2-20所示。由于芯片与其正面接触连接材料之间的热膨胀系数匹配得更好，因此功率循环性能提升约70倍。富士电机中国有限公司针对SiC MOSFET功率模块，开发以无铝丝模块为基础的封装结构，同时考虑更高工作温度，研发了环氧树脂和银烧结技术。

图2-20　Semikron 3D Skin技术示意图

2. 焊接技术

焊接是电源模块、功率模块封装中的关键技术，在芯片与DBC基板之间、DBC基板与铜底板之间都会用到焊接技术。焊接质量的好坏对功率芯片的热传导效果有直接影响，并进一步关系到整个模块的性能。体系中不同焊接部位的优先顺序，选择何种类型的焊料，焊接温度及回流温度曲线都是焊接工艺需要考虑的。由于焊接界面是由硅、铝、铜、锡等不同单质或化合物材料组成的，界面中不同材料的热膨胀系数不同，因此会产生压缩或拉伸应力。而电源模块、功率模块在作业时往往会出现热效应并经历热循环，在这种环境的影响下，芯片与DBC基板之间、DBC基板与铜底板之间的焊接界面都会产生周期性的剪切应力。这种应力可以导致焊接互连的失效，如应力可能聚集在焊接部位有空洞或裂纹的缺陷位置上，使焊料开裂，甚至导致芯片破碎。

XT技术中明确提出目前的SnAg焊接技术将会被扩散键合（Diffusion Bonding）技术取代，后者即包含了扩散焊接（Diffusion Soldering，DS）技术和低温烧结（Low Temperature Joining Technology，LTJT）技术。同时，新型的焊接技术中会用到新型焊料，如纳米银焊膏（Nano Silver Paste）、金基焊料（Au based Solders）、纳米银铜合金等。纳米银材料有很多优点，如导电性能好、导热系数好、高温可靠性好、机械强度高、抗疲劳性良好、绿色无污染。纳米银在元器件间形成互连的方式是低温烧结。在陶瓷基板上涂覆纳米银焊膏可以形成银质厚膜，通过烧结可以极大增加厚膜密度。纳米银焊膏可由碳氢化合物（含有黏接银粒子功能团）和有机黏接剂（或稀释剂）制备而成。

3. 陶瓷基板技术

在电源模块、功率模块的封装结构中，基板起到机械保护、系统导热等重要作用。根据应用环境、元器件形式、封装类型的不同，设计者会选用不同材料的基板。常见的基板根据材料可分为金属基板、陶瓷基板、柔性有机基板、玻璃布基板等。

陶瓷基板具有的优势：良好的导热性、耐热性、电绝缘性，热膨胀系数小，化学稳定性好。陶瓷基板非常适合作为大功率电力电子元器件模块的封装基板。从结构与制作工艺来看，陶瓷基板可分为开发工艺相对成熟且已量产的直接键合DBC基板、直接镀铜DPC基板、以烧结工艺为主的高温共烧多层陶瓷HTCC基板、低温共烧陶瓷LTCC基板，以及厚膜陶瓷TFC基板等类型。DBC基板结合了多种板间或芯片间互连，是目前的主流基板，由铜箔和陶瓷基片（Al2O3或AlN）在高温下（1065～1083℃）共晶烧结而成，优势突出，如铜导体的载流能力强、金属与陶瓷间附着强度高、焊接性能好，还可以根据布线要求蚀刻形成线路图形。目前，DBC基板已广泛应用于电力电子、大功率模块、航天航空等领域，由于其中铜箔较厚（100～600μm），在IGBT和LD封装领域优势明显。

4. 封装材料

电源模块、功率模块的材料选择取决于模块的性能要求、制作工艺、使用环境等因素。电源模块、功率模块中的材料有芯片半导体材料、基板材料、框架材料、互连材料、绝缘材料、热传导密封材料等，需要考虑的材料特征参数涉及热膨胀系数、导热系数、电阻率、介电常数及材料间相容性和成本等。

随着电源模块、功率模块集成度的提高和功率的不断增加，模块单位体积内功耗和发热量必然不断增加，过高的温度给模块可靠性带来巨大隐患，热界面材料则具有有效提高系统热传导的潜力，已成为电力电子元器件领域的研究热点之一。材料表面是粗糙不平的，当材料接触时，界面间会存在微空隙或孔洞，这些缺陷不利于热量的传导，热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM）的作用就是填充这些微空隙或孔洞，减小传热接触热阻，提升元器件散热性能。常见的热界面材料又分为导热膏、导热胶、导热垫片、相变材料等。