IGBT 模塊類型、封裝材料分類與封裝技術(shù)全流程解析

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是電力電子變換中的核心元器件，廣泛應用于軌道交通、新能源汽車、軍工航天、工業(yè)機器等領(lǐng)域。為了滿足不同應用場景的需求，IGBT模塊的類型、封裝材料和封裝技術(shù)都經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和完善。

一、IGBT 模塊類型

根據(jù)不同的分類標準，IGBT模塊可以分為多種類型：

1. 按功能分類：

• 標準IGBT模塊

• 智能IGBT模塊（IPM）

• 高頻IGBT模塊

2. 按結(jié)構(gòu)分類：

• 單管IGBT模塊

• 多管集成IGBT模塊

3. 按應用領(lǐng)域分類：

• 工業(yè)級IGBT模塊

• 車規(guī)級IGBT模塊

車規(guī)級IGBT模塊主要用于新能源汽車的電驅(qū)系統(tǒng)中，其工作環(huán)境更為復雜，對可靠性和散熱性能的要求更高1。

二、IGBT 封裝材料分類

IGBT模塊的封裝材料對其性能和可靠性有著重要影響。常見的封裝材料包括：

1. 陶瓷襯板：

• Al?O?（氧化鋁）：價格低廉，應用最廣泛，但熱導率較低、熱膨脹系數(shù)高。

• AlN（氮化鋁）：具有較高的熱導率，但成本較高。

• Si?N?（氮化硅）：兼具良好的導熱性能和機械強度，適用于高可靠性要求的應用。

• ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷）：在Al?O?基礎(chǔ)上進行改性，提高了機械強度和導熱性能。

2. DBC（直接鍵合銅）基板：

• DBC基板由陶瓷和銅組成，中間為陶瓷層，上下覆銅層。常用的陶瓷材料為Al?O?和AlN。DBC基板具有良好的導電性和隔離作用。

3. 金屬底板：

• 通常采用銅材料，用于導熱和散熱，確保模塊在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

4. 焊料：

• 常用的焊料有錫片或錫膏，用于將IGBT芯片貼附到DBC基板上。

5. 灌封膠：

• 用于殼體灌膠與固化，起到絕緣保護和增強機械強度的作用。

三、IGBT 模塊封裝技術(shù)全流程

IGBT模塊的封裝工藝流程非常復雜，主要包括以下幾個步驟：

四、IGBT 模塊封裝技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

1. 熱管理：

• IGBT模塊在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，因此需要高效的散熱設(shè)計。陶瓷襯板的選擇和DBC基板的設(shè)計對于熱管理至關(guān)重要。

2. 可靠性：

• IGBT模塊需要在極端溫度變化和高電壓條件下長時間工作，因此封裝材料和工藝必須具備高可靠性。例如，真空回流焊接工藝可以顯著降低焊點空洞率，提高模塊的導電導熱性能。

3. 電氣性能：

• 為了減少能源損耗，IGBT模塊需要具有低介電常數(shù)的基板材料，以避免產(chǎn)生雜散電感。此外，鍵合工藝的質(zhì)量直接影響模塊的電氣連接性能。

4. 成本控制：

• IGBT模塊的成本主要來自芯片、封裝材料和制造工藝。隨著國內(nèi)供應商如比亞迪半導體、斯達半導、中車時代等的崛起，國產(chǎn)化替代逐漸成為可能，有助于降低整體成本。

五、未來發(fā)展趨勢

1. 新材料的應用：

• 隨著對高性能IGBT模塊需求的增長，新型陶瓷材料如Si?N?和ZTA將進一步得到推廣，以提升模塊的導熱性能和機械強度。

2. 先進封裝技術(shù)：

• 真空回流焊接、超聲波清洗、X-RAY缺陷檢測等先進封裝技術(shù)將繼續(xù)優(yōu)化，進一步提高模塊的可靠性和電氣性能。

3. 智能化與集成化：

• 智能IGBT模塊（IPM）將在未來獲得更多關(guān)注，這類模塊集成了驅(qū)動電路、保護電路等功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計并提高了整體效率。

4. 國產(chǎn)化進程加速：

• 隨著國內(nèi)企業(yè)在IGBT芯片設(shè)計、封裝測試等環(huán)節(jié)的技術(shù)突破，國產(chǎn)IGBT模塊的市場份額將持續(xù)擴大，特別是在新能源汽車領(lǐng)域。

結(jié)論

IGBT模塊作為電力電子變換的核心元器件，其類型、封裝材料和封裝技術(shù)的選擇對其性能和可靠性有著深遠的影響。從單管IGBT模塊到多管集成模塊，從Al?O?陶瓷到Si?N?陶瓷，再到先進的真空回流焊接和X-RAY缺陷檢測技術(shù)，IGBT模塊的封裝工藝正在不斷演進。未來，隨著新材料和新技術(shù)的應用，IGBT模塊將在新能源汽車、軌道交通等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

IGBT模塊芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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