摘 要

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极型晶体管，IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化器件，功能是控制能源的变换和传输。随着高铁机车、电动汽车、新能源等领域的发展IGBT模块的市场需求越来越大，工作功率和可靠性要求越来越高。由于IGBT模块是由多个零部件组成的，其内部必然存在机械、电气和热之间的相互作用，功率的提高必然带来散热和可靠性问题，必须要克服原有封装工艺的局限性。本文主要对安森美半导体公司现有IGBT模块封装工艺进行分析改善，通过DMAIC理论方法指导对产品质量进行优化和控制。为了提高自动检测工艺对产品是否合格判定的准确率及检测过程的效率，通过分析自动检测设备的原始检测方式，并与纠正检测误差后的检测方案结果进行对比，选择更优检测方法。本文中所分析的封装工艺改善方法，对于公司生产成本和生产管控提升具有重要的指导意义。

关键词：IGBT模块；封装工艺；良品率；质量控制

Abstract

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ie insulated gate bipolar transistor, IGBT module is a modular semiconductor formed by IGBT and FWD (freewheeling diode chip) through a specific circuit bridge package, the function is to control the energy conversion and transmission . With the increasing market demand for the development of IGBT modules for high-speed rail locomotives, electric vehicles, and new energy sources, work power and reliability requirements are getting higher and higher. Since the IGBT module is composed of a plurality of components, there must be an interaction between the mechanical, electrical, and thermal interiors. The increase in power inevitably brings about heat dissipation and reliability problems, and it is necessary to overcome the limitations of the original packaging process. This article mainly analyzes and improves the existing IGBT module packaging technology of ON Semiconductor, and guides the optimization and control of product quality through the DMAIC theory method. In order to improve the accuracy of the automatic detection process for product qualification and the efficiency of the detection process, a better detection method is selected by analyzing the original detection method of the automatic detection device and comparing the results of the detection method after correcting the detection error. The packaging process improvement methods analyzed in this paper have important guiding significance for the improvement of production cost efficiency.

Key Words：IGBT module；packaging process；yield； quality control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 IGBT模块的背景和市场 1

1.2 IGBT模块国外技术发展现状 3

1.3 IGBT模块国内技术发展现状 5

第2章 IGBT模块封装工艺 7

2.1 IGBT模块材料和结构 7

2.1.1 DBC基板 8

2.1.2 超声焊接 8

2.1.3 铜底板 9

2.1.4 硅凝胶 9

2.1.5 焊接材料 10

2.2 封装工艺流程 11

2.3 工艺良品率存在问题 13

2.4 工艺改善方法DMAIC 13

第3章 自动视觉检测工艺良品率提升分析 15

3.1 自动视觉检测系统原理 15

3.1.1 测量项目及模式 15

3.1.2 测量基准及调试 15

3.2 目前自动视觉检测工艺问题分析 18

3.2.1 检测规格产生叠加误差 18

3.2.2 塑料外壳外形变形影响定位基准 19

3.2.3 塑料外壳与铜底板配合误差 19

3.3 自动视觉检测工艺分析及改善方法 20

3.3.1 测量误差影响因素分析 20

3.3.2检测工艺改善方法 20

3.4 工艺改善试验分析 22

3.5工艺改善方案确定 25

第4章 结果分析总结与发展前景 26

4.1 工艺改善结果 26

4.2 功率模块封装技术发展阻碍 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 IGBT模块的背景和市场

随着能源技术的发展，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的设计技术发展迅速，作为电能转换的重要器件，以IGBT为代表的标准组件广泛的应用于从几十瓦到几十兆瓦的电子电力设备中。目前IGBT已经广泛地应用于消费类电器、工业控制、新能源发电、智能电网、机车牵引和电动汽车的交通运输领域，成为变流装置的主要开关器件，以实现新能源产生、传输和高能效的利用。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件^[3]，不仅具有功率场效应管的高速开关性能，还具有双极型晶体管的高电压和大电流处理能力的半导体元件，IGBT是能源变换与传输的核心器件，在电力电子领域相当于设备装置的“CPU”。IGBT器件在综合性能方面表现的优势明显，由于自身的性能优势，非常适用的应用的领域有：如电动汽车的动力部分、交流电机的调速控制部分、开关电源的逆变部分、变频器中感应电机的调速、牵引传动的驱动部分等直流电压为高于600V的变流系统。

IGBT的形式一般分为IGBT单管和IGBT模块两种。IGBT模块具有以下基本特征：（1）IGBT模块通过特定电路桥接，由IGBT与FWD(续流二极管芯片)的封装而成的模块化半导体产品，按照设计中的不同线路拓扑结构，在封装工艺中多个芯片和二极管芯片以引线电路桥接集成到金属基板上，以满足不同的控制应用；（2）一个模块中，多个芯片之间以及与空气之间的隔绝材料通常是硅凝胶材料；（3）在同一个制造商生产中，对于同一技术系列的产品，与同等规格的IGBT单管相比较IGBT模块的技术特性基本相同。IGBT模块具有工作稳定、使用寿命长久、节能环保、安装维护方便等优点。

随着应用市场电子电力设备功率要求的提高，在大功率器件的应用中IGBT单管已经无法适应需要。相对于IGBT单管，IGBT模块的主要优势有以下方面：

（1）由于模块是由多个IGBT芯片和二极管芯片以引线电路桥接集成到金属基板上，在功率规格上IGBT模块更适合应用于高压和大电流的电力电子设备上。

（2）多个IGBT芯片是在同一个模块的环境内，分布在同一块陶瓷覆铜板或者铜底板上，工作温度等环境一致导致的环境变异少，工作可靠性更高。

（3）多个IGBT芯片按照特定的半桥或者全桥等电路形式组合，通过内部电路简化，相较于外部电路连接，其电路的更加简化。

（4）由于经过了模块制造商的来料控制，处于同一个模块内的多个IGBT芯片，其参数一致性较市场上销售的分立元件要优越。

（5）由于在一个模块中多个IGBT芯片之间的连接电路布局更好，与多个分立形式的单管通过外部连接相比，键合引线之间产生的电感更小。

IGBT模块的封装工艺看似简单，在整个生产过程中其实涉及上下游不同的行业：从器件封装过程中需要的来料上包含，晶圆的设计制造，封装所需零部件的设计制造，由此包含芯片，金属结构件，陶瓷覆铜板等烧结部件，塑料外壳等注塑零件。从器件应用的过程中，封装后的IGBT模块与相应的PCB板装配可以应用于太阳能逆变器、电动汽车动力转换、大功率开关电源及变频器等领域。在封装技术层面，包含设计布局、散热、电流传导、功率互连、材料选择和可靠性等专业知识。

自20世纪80年代起，IGBT的技术得到迅速发展，其发展趋势可以归纳为：第一代为IGBT薄片，第二代为IGBT场阻型(FS)，第三代为IGBT的沟槽栅是更小元胞的沟槽栅单元(Cell)，第四代IGBT技术发展为以载流子注入增强和载流子存储层为代表的载流子分布优化技术、第五代发展史以逆导(RC)型IGBT为代表的集成技术。随着在高温电子电力器件的应用领域要求越来越高，基于硅的半导体元件正在接近它们的功率密度极限。在功率器件上IGBT热流量的极限上，近年来已研发出如SiC芯片来实现，但是在高温电子电力器件的应用上仍然难以实现。这方面的主要原因是关于从IGBT模块散热的物理限制需要克服，而模块的散热技术主要在于模块封装工艺过程中实现。因此，对于要求越来越高的高温大功率领域的应用，封装技术成为了决定功率应用突破的重要因素。

新能源作为国家战略性新兴产业，随着节能环保等理念的推进，低碳经济必然推动功率半导体市场的繁荣，IGBT模块是功率半导体的技术前沿，IGBT的产品在市场上的应用将越来越多见。未来几年全球IGBT市场规模将成稳步上升的趋势，预计到2022年全球IGBT市场规模将有望达到80.2亿美元，推动全球IGBT产品需求重要增长的产业将主要是电动汽车与新能源产业这两大领域。

图1.1 至2025年汽车产业市场预测

1.2 IGBT模块国外技术发展现状

根据全球著名研究机构IHS的2017年度的调研报告显示，制造IGBT产品的全球市场占有率前三的公司分别是：英飞凌科技，三菱电机，富士电机有限公司。世界上前三大IGBT生产商都是国外的厂商。

英飞凌科技作为全球少数几家掌握IGBT芯片核心技术的公司，拥有着强大的市场影响力，其IGBT芯片产量以及在全球市场占有率居全球首位。英飞凌目前在世界上前三大IGBT生产商中，是唯一拥有8inIGBT产品完整生产线的厂家，且其IGBT制造技术已发展到12in尺寸。具有各种电压等级，电流额定值和拓扑结构的尖端IGBT功率模块可用于几乎无限的应用。作为掌握着核心技术的公司，这些先进厂商中以英飞凌为代表，其先进的应用技术有以下几个方面。

1. TIM(Thermal Interface Material,即导热界面材料)在散热方面的应用。

电力电子中更高的功率密度对功率模块和散热器之间的热界面提出了更大的挑战，预先应用于功率模块的专门开发的热界面材料优于可用的通用材料。英飞凌在2012年就将表面散热介质材料TIM应用于模块散热中，TIM符合电源模块的最高质量标准，以实现最长的使用寿命和最高的系统可靠性。TIM介质材料的应用是为了优化功率半导体和散热器之间的热传递，必须使用填充微观间隙和不平整度的热界面材料。该材料以及应用过程对热学结果有重大影响。TIM已经开发出来以适应现有的大部分功率模块封装以及即将推出的未来更高功率设计。

使用预先应用TIM的模块可以实现电力电子应用的可重复散热性能，其优点有：（1）减少制造过程中的时间；（2）简化安装；（3）增加系统可靠性；（4）增加系统寿命；（5）优化的热管；（6）在维护的情况下改进处理。下图为英飞凌科技的IGBT模块产品中TIM材料的应用。

图1.2 英飞凌IGBT模块产品中TIM材料的应用

（2）SiC半导体技术的发展。

随着电子电力器件的发展，市场发展背后的驱动力是以下趋势：节能的方向发展，向尺寸减小的方向发展，系统集成和电子器件可靠性提高，基于碳化硅的功率半导体解决方案在过去几年显示出巨大的增长。以SiC半导体产品应用市场非常广阔，比如现在的一些高端应用市场：电动汽车充电器、太阳能光伏逆变器的升压和逆变器阶部分（追求更高的转换效率，更小的体积和更轻的重量）。将来成熟应用后，成本降低时，还可以向工业领域发展，如电机驱动部件的应用。SiC开关频率提高，可以减小器件体积；电子迁移率更高，相比现有的Si半导体器件，导通能力很强，功率损耗更低，可以相应减小散热器体积；导热率接近铜，导热性能优良，功率密度能够制成更高。因此对于SiC半导体电子电力器件的技术发展带来的成果就是能够用更小的体积制造出更高功率密度和能源损耗更小的电子电力集成器件。

近年来，SiC已被用于高端和小众解决方案。英飞凌制造了数百万个混合模块，并已将其安装在一些客户产品中。从英飞凌进行的分析可知，与目前基于Si的参考解决方案相比，建立在SiC器件上的转换器体积和重量都是25％。由于体积和重量显着减少，系统成本也可以降低20％以上。碳化硅与硅之间的材料特性差异限制了实际硅单极二极管（肖特基二极管）的制造，其范围高100V-150V，具有相对高的导通电阻和漏电流。在SiC材料中，肖特基二极管可以达到更高的击穿电压。SiC肖特基二极管的快速开关特性在系统级提供了明显的效率提升。SiC和高端Si二极管之间的性能差距随着工作频率的增加而增加。

（3）混合动力和电动汽车领域的成熟应用。

HybridPACKTM DSC是英飞凌为混合动力和电动汽车主变频器提供的全新创新解决方案。由于模制模块的双面冷却，它提供了更高的功率密度。芯片温度和电流传感器可以帮助驱动IGBT更接近其极限以进一步提高功率密度。HybridPACK™驱动器是一款非常紧凑的电源模块，针对功率范围可达150 kW的混合动力和电动汽车主变频器应用进行了优化。该功率模块实现了新一代EDT2 IGBT芯片，作为一种汽车微型图案沟槽场停止单元设计。该芯片组具有基准电流密度以及短路耐用性和增加的阻断电压，可在苛刻的环境条件下实现可靠​​的逆变器运行。

英飞凌的HybridPACK™系列涵盖了混合动力和电动汽车IGBT模块所需的全功率频谱。各种产品版本均通过产品组合中的封装创新和芯片开发来实现。

除了IGBT产品在汽车主变频器的应用，英飞凌的汽车电源模块为不同混合动力和电动汽车应用提供平台，应用功率可达到10kW。最常见的应用是辅助驱动器，DC / DC转换器（HV / LV），PTC加热器和车载充电器。

国外公司基于传统IGBT制造封装技术相继研发出多种先进技术，分别从提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性等方面出发进行不同层面的创新。

1.3 IGBT模块国内技术发展现状

中国虽然拥有全球最大的IGBT产品应用市场，本土优势较好，然而目前我国的IGBT芯片及其模块产品99%以上都是依赖进口，主要是因为国内的产业体系不够独立完整，产品不够成熟。虽然IGBT产品核心新技术主要掌握在国外一些技术成熟的厂商手里，近年来在国家宏观政策的支撑和组织引导下，在本土IGBT市场需求的高速增长的同时，也是IGBT模块产品发展的黄金期，仍然为国内厂商实现IGBT 产品的国产化提供良好的市场基础^[14]，逐渐打破国外厂商垄断状况。近几年国内企业通过各种途径实现IGBT技术快速追赶的同时，一些企业已取得一定可喜的技术突破和进展^[16]。

1. IGBT产品的自主量产。

2008年，株洲中车时代电气通过收购英国Dynex半导体公司，利用资本换取欧洲先进的1200V-6500V IGBT芯片设计、工艺技术及模块封装技术丰富资源。为加强自主研发技术，投入资金成立海外功率半导体研发中心。在2012年，株洲所投资15亿元，建设了国内首条8英寸IGBT芯片生产及其封装生产线，于2014年初实现IGBT模块的批量生产。应用于轨道交通和智能电网等领域的IGBT模块年生产规模约6万只，具备年产12万片芯片能力，并配套年产100万只IGBT模块的自动化模块封装和产品测试能力，IGBT模块产品电压的范围电压从650V到6500V不同阶段的范围涵盖。株洲中车时代电气通过资本融合运作的方式，掌握了IGBT芯片设计关键技术和自动化模块封装工艺；另外在此基础上加上独立自主开发创新相结合的方式，成为国内最先自主掌握包含IGBT芯片设计技术、组件模块工艺封装工艺技术的公司。

（2）在地铁应用领域IGBT技术成功试验成功。

2018年，由中车时代电气开发的IGBT装载在无锡地铁列车上，并进行了首次装车试运行并上线运行载客，上线运营情况良好。这是IGBT技术车辆核心关键零部件的国产化推广普及的一次重要意义的实践尝试。在地铁列车上试验采用国产IGBT后，中车时代电气联合无锡地铁车辆部对该列车线牵引系统开展一系列检查工作，包含：动态性能调试、运行故障分析、功能验证和电气性能试验、列车的公里数验证等。由于应用于地铁动力部分的安全系数要求很高，需要满足地铁运营技术标准，因此要检查变流器模块性能是否满足牵引系统相关指标。最终在该地铁线各项试验和实际的运行结果显示，该IGBT模块绝对可以达到地铁列车正常行驶操作要求的条件。

目前国内在实现IGBT产品技术的量产和新技术突破等方面正加大投入研发和攻关力度，IGBT模块的研制技术今年来取得了一些重大进展。但我们必须清醒地认清局势，现在国内IGBT功率模块生产技术等领域与国际先进水平仍然存在较大差距。在实现产品的大批量商业使用上，国内每年需花费大量资金从国外采购IGBT产品，甚至有些关键技术和产品还遭到国外技术封锁。国内在IGBT模块产品领域上，目前存在的重要技术难题有待攻克：

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