汽車IGBT模塊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下功率循環(huán)和溫度循環(huán)作為表示的耐久測(cè)試，要求極為嚴(yán)格，例如功率循環(huán)次數(shù)可能從幾萬次到十萬次不等。主要目的是測(cè)試鍵合線、焊接層等機(jī)械連接層的耐久情況。測(cè)試時(shí)的失效機(jī)理主要是，芯片、鍵合線、DBC、焊料等的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致鍵合線脫落、斷裂，芯片焊層分離，以及焊料老化等。隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上游大有逐步完成國產(chǎn)替代，甚至帶領(lǐng)世界的趨勢(shì)，諸如整車品牌、動(dòng)力電池、電池材料等等已經(jīng)走得比較靠前，而汽車電控IGBT模塊是新能源汽車主要的功率器件。IGBT自動(dòng)化設(shè)備在生產(chǎn)中起到關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的高效封裝。高精度真空爐生產(chǎn)
基于雙基板堆疊和面互連，采用上下雙基板堆疊的無鍵合線平面互連封裝。該封裝采用Wolfspeed第三代10kVSiCMOSFET芯片構(gòu)建。芯片焊接在下堆疊基板上，芯片正面電極采用金屬M(fèi)o柱連接，Mo柱上方連接帶有通孔的上堆疊基板。在上堆疊基板的上表面，采用高密度彈簧銷端子，將芯片電極連接到PCB母線。Mo柱互連取代鍵合線連接，提高了機(jī)械可靠性，降低了封裝雜散電感和電阻。該封裝在芯片的兩側(cè)均采用平面連接，少部分熱量可通過芯片上表面?zhèn)鬟f給上部堆疊基板，但由于上基板上表面為彈簧端子連接，不利于熱量傳遞，芯片耗散熱主要從下堆疊基板散熱，使該封裝只具有單一散熱通路。通過在下堆疊基板底部集成定制的直接射流噴射冷卻器，模塊結(jié)到環(huán)境熱阻達(dá)到0.38℃/W。非標(biāo)工業(yè)模塊自動(dòng)組裝線批發(fā)價(jià)格IGBT自動(dòng)化設(shè)備推動(dòng)了IGBT模塊技術(shù)的發(fā)展，使其具備通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
采用納米銀燒結(jié)將Mo柱、SiC芯片和Cu柱連接到基板上。相比合金焊料，燒結(jié)銀導(dǎo)熱性能優(yōu)異，有助于降低芯片連接層的熱阻。可在兩側(cè)基板表面分別連接熱沉進(jìn)行雙面散熱。該雙面散熱封裝模塊的結(jié)殼熱阻只有0.17℃/W，封裝耗散功率密度超過200W/cm2，而同電壓等級(jí)的CreeXHV-9模塊的結(jié)殼熱阻為0.468℃/W，表明該雙面散熱封裝具有明顯的熱性能優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步優(yōu)化雙面散熱封裝器件的熱性能，提出了柔性印刷電路板互連的平面封裝結(jié)構(gòu)，采用Cu-Mo-Cu(CMC)復(fù)合金屬塊滿足絕緣要求。柔性PCB板既可以作為芯片上較小特征的互連，還可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的母線，縮短功率模塊的電氣回路長度減小寄生電感。
TFC金屬化是一種在AlN陶瓷基板上制作銅膜的過程，它通過使用銅漿料和絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將銅漿料均勻地涂布在基板上。在涂布完成后，通過850℃真空燒結(jié)處理，使銅膜與基板牢固結(jié)合，并形成TFC覆銅AlN基板。DBC金屬化則是一種將AlN基板與銅箔進(jìn)行冶金結(jié)合的制作方法。首先將AlN基板與銅箔精確對(duì)齊，然后將它們裝配在一起，施加一定的壓力。隨后，在控制爐內(nèi)氧分壓的情況下，將溫度加熱至1065℃，使得銅箔表面的氧化物薄層與AlN基板表面氧化產(chǎn)生的三氧化二鋁（Al2O3）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種稱為CuAlO2的化合物。這種化合物將銅箔和AlN基板緊密地結(jié)合在一起，形成冶金結(jié)合。而AMB金屬化是一種在AlN表面制作銅膜的另一種方法。首先，在AlN表面涂布一層含有銀（Ag）、銅（Cu）和鈦（Ti）的焊膏，然后覆蓋一層銅箔。接下來，將樣件置于真空環(huán)境中，加熱至890℃并保持一段時(shí)間，這樣就可以使AlN表面上的焊膏與銅箔發(fā)生反應(yīng)，形成一層堅(jiān)固的銅膜。這樣制作的覆銅AlN基板具有良好的導(dǎo)熱性能，可用于高功率電子器件的封裝。IGBT自動(dòng)化設(shè)備負(fù)責(zé)封裝和端子成形，保證產(chǎn)品的完整性和可靠性。
采用燒結(jié)銀工藝將芯片倒裝燒結(jié)到DBC基板上，芯片背面采用銅夾連接，銅夾上連接散熱器，形成芯片上表面的熱通路。采用聚合物熱界面材料在模塊的上下表面連接兩個(gè)陶瓷散熱器，進(jìn)行雙面散熱。由于芯片倒裝鍵合面積只占芯片面積的很小一部分，接觸面積較小成為限制該封裝散熱性能的關(guān)鍵。該封裝中倒裝芯片鍵合層和銅夾連接層對(duì)模塊熱性能的影響比連接散熱器的熱界面材料的影響更加明顯。增大倒裝芯片的鍵合面積有助于降低倒裝芯片鍵合層的熱阻，有利于降低芯片結(jié)溫。研究表明，通過增大芯片電極金屬化面積，如將芯片電極面積占比從22%提高到88%，采用倒裝鍵合，芯片結(jié)溫可降低20-30℃。建議可以通過采用擴(kuò)大芯片電極金屬化面積，增大鍵合面積的方式來降低熱阻。動(dòng)態(tài)測(cè)試IGBT自動(dòng)化設(shè)備可分析和優(yōu)化器件在過溫和過壓情況下的性能。高精度真空爐生產(chǎn)
IGBT自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用使功率半導(dǎo)體模塊封裝過程更高效和準(zhǔn)確。高精度真空爐生產(chǎn)
芯片下表面焊接連接，上表面采用載銀硅樹脂連接，以進(jìn)一步降低熱機(jī)械應(yīng)力。柵極端子與聚酰亞胺柔性電路板連接。通過空氣實(shí)現(xiàn)散熱器與環(huán)境間的電氣絕緣。芯片兩側(cè)的基板表面為翅片狀熱沉的連接提供了平臺(tái)，可使用介電流體(如空氣)進(jìn)行冷卻，該P(yáng)CoB雙面風(fēng)冷模塊具有與液冷等效的散熱性能。研究表明，采用該封裝的1200V/50ASiC肖特基二極管在空氣流速為15CFM的條件下測(cè)試得到模塊結(jié)到環(huán)境的熱阻只為0.5℃/W。在沒有散熱措施時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻也低于5℃/W。而對(duì)于類似大小的芯片，采用25mil的AlN陶瓷基板和12mil的鍍鎳銅底板封裝的傳統(tǒng)功率模塊的結(jié)殼熱阻已達(dá)到約0.4℃/W。將該模塊通過導(dǎo)熱脂連接在液冷散熱板上，結(jié)到冷卻液體的熱阻為0.6~1℃/W。表明該P(yáng)CoB雙面空冷模塊具有與傳統(tǒng)液冷模塊相當(dāng)?shù)臒嵝阅?。高精度真空爐生產(chǎn)