功率模塊封裝工藝概述

功率模塊封裝技術(shù)是一種將電力電子器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等集成在一個封裝體內(nèi)的技術(shù)，是功率電子系統(tǒng)的重要組成部分，對系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換、精確控制、可靠性提升等有著關(guān)鍵意義。

一、功率模塊封裝工藝介紹

（一）封裝類型

根據(jù)封裝材料不同，功率模塊封裝技術(shù)可分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝等。不同封裝類型具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。例如：

• 塑料封裝：具有輕質(zhì)、易加工和低成本的特點(diǎn)，但導(dǎo)熱性較差。常用于對成本較為敏感、對散熱要求不是極高的中低功率模塊封裝場景，像一些消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的功率模塊可能會采用塑料封裝。

• 陶瓷封裝：陶瓷具有高導(dǎo)熱性和耐熱性，但成本較高。適用于對散熱和耐熱性要求較高的場景，如高壓、大功率模塊封裝。在一些工業(yè)級或者對性能要求苛刻的功率模塊中會被使用，因?yàn)槠淠軌蛟诟邷亍⒏唠妷旱葠毫訔l件下保持較好的性能。

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• 金屬封裝：具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，但重量較大。在需要良好散熱性能和較高機(jī)械穩(wěn)定性的高功率、高熱量的功率模塊中較為適用，例如在某些大型電力設(shè)備中的功率模塊可能會采用金屬封裝。

（二）常見封裝形式

1. DIP封裝（雙列直插式封裝）

• 這是一種常見的功率模塊封裝類型，具有簡單易用、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。其功率模塊插針直接插入印刷電路板（PCB）的通孔中，實(shí)現(xiàn)電氣連接。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，DIP封裝逐漸暴露出占用空間較大、熱性能較差等缺點(diǎn)。在一些對空間和散熱要求不高、對成本比較敏感的傳統(tǒng)電子設(shè)備中仍可能會使用到這種封裝形式，比如早期的一些簡單電子儀器中的功率模塊。

2. SOP封裝（小外形封裝）

• 比DIP封裝更加緊湊，節(jié)省空間。引腳數(shù)目一般較多，適用于需要更多引腳的功率模塊。不過，這種封裝類型的功率模塊在焊接過程中需要注意熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。在一些對空間有一定要求，引腳需求較多的功率模塊應(yīng)用場景中較為常見，如部分小型化的電子設(shè)備中的功率模塊封裝。

3. QFN封裝（無引腳封裝）

• 具有體積小、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。其功率模塊直接與PCB焊接，提高了電氣連接的可靠性。但在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境下，QFN封裝的可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。在一些對體積和散熱有要求，工作環(huán)境相對較好的功率模塊應(yīng)用場景中使用，比如部分便攜式電子設(shè)備中的功率模塊封裝。

4. TO封裝（通孔封裝）

• 適用于高功率、高熱量的功率模塊，具有較好的散熱性能和機(jī)械穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的發(fā)展，TO封裝也逐漸暴露出引腳數(shù)目有限、占用空間較大等缺點(diǎn)。在一些高功率的傳統(tǒng)電子設(shè)備，如部分功率較大的電源模塊中可能會采用這種封裝形式。

5. WLCSP封裝（晶圓級芯片尺寸封裝）

• 具有超小尺寸、超薄厚度等優(yōu)點(diǎn)。其功率模塊可以直接與電路板連接，無需使用外部連接器。不過，這種封裝類型對技術(shù)和生產(chǎn)要求較高，需要專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)人員。在對尺寸要求極小、對性能要求較高的高端電子設(shè)備中的功率模塊可能會采用這種封裝形式，如一些高端智能手機(jī)中的功率模塊封裝。

6. SIP封裝（單列直插式封裝）

• 具有簡單易用、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。適用于小電流、低功率的應(yīng)用場景。隨著技術(shù)的發(fā)展，SIP封裝逐漸被更先進(jìn)的封裝類型所取代。在一些簡單的小功率電子設(shè)備中可能還會使用到這種封裝形式，比如小型的傳感器中的功率模塊封裝。

二、功率模塊封裝工藝特點(diǎn)

（一）集成化

功率模塊封裝能夠?qū)⒍鄠€電力電子器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等集成在一起。例如在智能功率模塊（IPM）中，以IGBT為內(nèi)核，內(nèi)部集成了實(shí)時檢測電路，能夠連續(xù)檢測IGBT電流和溫度，確保在過載、短路或過熱等異常情況下能夠?qū)崿F(xiàn)軟關(guān)斷，并發(fā)出故障信號，從而保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。這種集成化設(shè)計使功率模塊具有高效、可靠、緊湊的特點(diǎn)，能夠滿足功率電子系統(tǒng)對高效能量轉(zhuǎn)換和精確控制的需求，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了成本，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。

（二）對散熱要求高

功率模塊在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，因此散熱是其封裝工藝的一個關(guān)鍵特點(diǎn)。不同的封裝材料和結(jié)構(gòu)對散熱性能有著重要影響。例如陶瓷封裝材料具有高導(dǎo)熱性和耐熱性，在散熱要求較高的場景下更具優(yōu)勢。在封裝工藝中，還會采用一些散熱設(shè)計，如在基板表面設(shè)計散熱肋片或微流道結(jié)構(gòu)，增加散熱面積，提高散熱效率；雙面散熱技術(shù)通過在芯片上下表面同時設(shè)置散熱路徑，實(shí)現(xiàn)雙面散熱，這種技術(shù)可以顯著降低芯片的結(jié)溫，提高模塊的可靠性和使用壽命；液冷散熱技術(shù)通過在模塊內(nèi)部設(shè)置冷卻通道，利用冷卻液帶走芯片產(chǎn)生的熱量，不過這種技術(shù)成本較高，且對密封性和冷卻液的選擇有較高要求。

（三）電氣性能關(guān)鍵

封裝工藝需要確保良好的電氣連接和絕緣性能。芯片互連技術(shù)是功率模塊封裝中的核心環(huán)節(jié)之一，它直接關(guān)系到模塊的電氣性能和熱性能。目前，主流的芯片互連技術(shù)包括引線鍵合、倒裝芯片（Flip - Chip）、燒結(jié)銀互連等。例如，傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)通過金線或鋁線將芯片與引線架連接，雖然技術(shù)成熟、成本低，但存在寄生電感大、散熱效果差等缺點(diǎn)；而倒裝芯片技術(shù)通過將芯片直接焊接在封裝基板上，實(shí)現(xiàn)了芯片與基板之間的直接電氣連接，大大縮短了電流回路，降低了寄生電感，提高了散熱性能，同時便于實(shí)現(xiàn)多芯片集成，提高模塊的功率密度；燒結(jié)銀互連技術(shù)利用銀的高導(dǎo)熱性和良好的電氣性能，通過高溫?zé)Y(jié)將銀膏填充在芯片與基板之間的縫隙中，形成可靠的電氣連接和散熱通道，這種技術(shù)具有耐高溫、高導(dǎo)熱、低電阻等優(yōu)點(diǎn)，在高端功率模塊中得到廣泛應(yīng)用。

（四）多種材料應(yīng)用

封裝過程中會使用到多種材料，包括陶瓷、金屬、塑料等。這些材料各自具有獨(dú)特的性能特點(diǎn)，需要根據(jù)具體的功率模塊需求進(jìn)行選擇。陶瓷材料具有高絕緣性、耐高溫、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓、大功率模塊封裝；金屬材料具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，常用于封裝散熱要求較高的模塊；塑料材料成本低、工藝簡單，適用于中低功率模塊封裝。隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新型的封裝材料如碳納米管和石墨烯等也逐漸得到應(yīng)用，這些材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，有望進(jìn)一步提高功率模塊的散熱性能和可靠性。

三、功率模塊封裝工藝步驟

（一）前道工序

1. 晶圓減薄（磨片）

• 封裝前，需對硅片背面進(jìn)行減薄處理，使其變薄變輕，以滿足封裝工藝要求。在這個過程中，會在硅片表面貼一層保護(hù)膜，以防止磨片過程中電路受損。例如在一些高精度的功率模塊制造中，晶圓減薄可以使芯片在封裝后具有更合適的厚度，便于后續(xù)的裝配和散熱等操作。

2. 晶圓切割（劃片）

• 將減薄后的硅片通過精密劃片機(jī)切割成單個芯片，并進(jìn)行質(zhì)量檢測，確保每片芯片均符合標(biāo)準(zhǔn)。這一步驟是將晶圓上的多個芯片分離出來，為后續(xù)的裝片等工序做準(zhǔn)備。如果切割不準(zhǔn)確或者芯片質(zhì)量檢測不嚴(yán)格，可能會導(dǎo)致封裝后的功率模塊出現(xiàn)性能問題，如芯片之間的短路或者斷路等。

3. 裝片（Die Attaching）

• 將合格的芯片粘貼到引線架或封裝襯底上，為后續(xù)的鍵合做準(zhǔn)備。這一步驟中，選擇合適的粘結(jié)材料（如導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀漿等）至關(guān)重要，它直接影響到芯片的散熱性能和電氣連接質(zhì)量。例如，如果使用的導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱性能不佳，可能會導(dǎo)致芯片在工作過程中熱量無法及時散發(fā)出去，從而影響功率模塊的性能和可靠性。

4. 鍵合（Wire Bonding）

• 使用金線或鋁線將芯片上的引線孔與引線架上的引腳連接，實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的電學(xué)連接。鍵合工藝要求精度高、可靠性好，以確保電流和信號的穩(wěn)定傳輸。這是芯片與外部電路建立電氣連接的關(guān)鍵步驟，如果鍵合不牢固或者出現(xiàn)鍵合錯誤，可能會導(dǎo)致信號傳輸中斷或者電氣性能不穩(wěn)定等問題。

（二）后道工序

1. 塑封（Molding）

• 采用環(huán)氧樹脂等材料對芯片進(jìn)行包封，以保護(hù)其免受外力損壞，并加強(qiáng)器件的物理特性。塑封后進(jìn)行固化處理，確保材料具有足夠的硬度和強(qiáng)度。塑封可以防止芯片受到外界的物理沖擊、灰塵、水分等的影響，保證芯片的正常工作環(huán)境。但是，如果塑封材料選擇不當(dāng)或者塑封工藝存在問題，可能會導(dǎo)致芯片出現(xiàn)散熱不良或者內(nèi)部應(yīng)力過大等問題。

2. 電鍍（Plating）

• 為防止引線架生銹或受污染，需進(jìn)行電鍍處理。電鍍可以在引線架表面形成一層保護(hù)膜，提高其抗腐蝕性能，從而延長功率模塊的使用壽命。例如，常見的電鍍材料有鎳、金等，不同的電鍍材料具有不同的性能特點(diǎn)，可以根據(jù)具體的需求進(jìn)行選擇。

3. 切筋/打彎（Trimming/Forming）

• 去除引腳根部多余的塑膜，并將引腳打彎成所需形狀，便于安裝和使用。這一步驟可以使功率模塊的引腳符合特定的電路板安裝要求，確保在安裝過程中能夠正確地與電路板進(jìn)行連接。如果切筋/打彎操作不當(dāng)，可能會導(dǎo)致引腳損壞或者無法正確安裝到電路板上。

4. 測試

• 對封裝后的功率模塊進(jìn)行各種測試，包括電氣性能測試（如測試電流、電壓、電阻等參數(shù)）、功能測試（檢查模塊是否能正常實(shí)現(xiàn)其功能，如功率轉(zhuǎn)換功能等）、可靠性測試（如高溫、低溫、濕度等環(huán)境下的測試）等。通過測試可以篩選出不合格的產(chǎn)品，保證出廠的功率模塊具有良好的性能和可靠性。例如，在高溫測試中，可以檢測功率模塊在高溫環(huán)境下的散熱性能和電氣性能是否穩(wěn)定，如果出現(xiàn)問題則需要對封裝工藝進(jìn)行改進(jìn)。

5. 包裝

• 將測試合格的功率模塊進(jìn)行包裝，以便運(yùn)輸和儲存。包裝需要考慮到防止功率模塊在運(yùn)輸和儲存過程中受到機(jī)械振動、靜電、潮濕等因素的影響。合適的包裝可以保證功率模塊在到達(dá)用戶手中時仍然保持良好的性能和可靠性。

四、功率模塊封裝工藝優(yōu)劣分析

（一）優(yōu)勢

1. 提高性能和可靠性

• 通過集成化的封裝，將多個相關(guān)的電路和器件集成在一起，可以減少外部連接的數(shù)量，從而降低了因連接點(diǎn)過多而可能出現(xiàn)的故障風(fēng)險。例如，智能功率模塊內(nèi)部集成了各種保護(hù)電路，能夠及時對異常情況進(jìn)行處理，提高了整個功率模塊的可靠性。同時，合理的封裝設(shè)計和工藝可以優(yōu)化電氣性能，如降低寄生電感等，提高功率模塊的工作效率和穩(wěn)定性。

2. 優(yōu)化散熱

• 針對功率模塊工作時產(chǎn)生大量熱量的問題，封裝工藝中的散熱設(shè)計和采用的高導(dǎo)熱性材料（如陶瓷、金屬等）能夠有效地將熱量散發(fā)出去。例如，雙面散熱技術(shù)和在基板上設(shè)計散熱肋片等散熱方式，可以降低芯片的溫度，保證功率模塊在高功率工作狀態(tài)下的正常運(yùn)行，延長其使用壽命。

3. 節(jié)省空間和成本

• 集成化的封裝使得功率模塊的體積更小，在一些對空間要求較高的電子設(shè)備中（如智能手機(jī)、平板電腦等），可以節(jié)省寶貴的電路板空間。而且，從成本角度來看，雖然一些高性能的封裝材料和工藝可能會增加部分成本，但由于減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性、提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的良品率，總體上可以降低成本。例如，采用大規(guī)模生產(chǎn)的封裝工藝可以降低單個功率模塊的生產(chǎn)成本，并且通過集成多個功能電路，減少了額外的電路板和元件成本。

（二）劣勢

1. 散熱挑戰(zhàn)依然存在

• 盡管有各種散熱措施，但隨著功率模塊功率密度的不斷提高，散熱仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。例如，在一些高功率密度的應(yīng)用場景下，如電動汽車的動力系統(tǒng)中的功率模塊，現(xiàn)有的散熱技術(shù)可能無法完全滿足其散熱需求，導(dǎo)致芯片溫度過高，影響功率模塊的性能和壽命。而且，一些散熱技術(shù)（如液冷散熱）雖然散熱效率高，但成本較高，并且存在冷卻液泄漏等風(fēng)險。

2. 電氣性能受工藝影響大

• 封裝工藝中的芯片互連技術(shù)等環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)問題，如引線鍵合的寄生電感問題、倒裝芯片焊接的質(zhì)量問題等，會對功率模塊的電氣性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而且，在一些復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)中，如多層布線、多芯片封裝時，要保證良好的電氣絕緣和信號傳輸是比較困難的，容易出現(xiàn)信號干擾、短路等問題。

3. 對材料和工藝要求高

• 為了實(shí)現(xiàn)良好的性能，功率模塊封裝需要使用高性能的材料（如高導(dǎo)熱、高絕緣的材料），這些材料往往成本較高或者加工難度較大。同時，一些先進(jìn)的封裝工藝（如3D封裝）需要高精度的設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制，這對生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平和設(shè)備投入要求較高。例如，3D封裝結(jié)構(gòu)中芯片的垂直互連需要精確的對準(zhǔn)和連接技術(shù)，如果工藝控制不好，很容易導(dǎo)致封裝失敗或者性能下降。

五、功率模塊封裝工藝應(yīng)用案例

（一）新能源汽車領(lǐng)域

1. 電機(jī)控制

• 在新能源汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)中，功率模塊封裝起著至關(guān)重要的作用。例如，采用高性能的功率模塊封裝技術(shù)可以精確控制電機(jī)的運(yùn)行，提高車輛的能效和性能。由于新能源汽車的電機(jī)功率較大，工作時會產(chǎn)生大量熱量，所以需要采用散熱性能良好的封裝工藝和材料。同時，為了保證電機(jī)控制的準(zhǔn)確性和可靠性，封裝工藝需要確保良好的電氣連接和信號傳輸。像一些采用SiC功率模塊的新能源汽車，其封裝技術(shù)能夠適應(yīng)高電壓、高溫度的工作環(huán)境，提高了整個電機(jī)控制系統(tǒng)的效率和可靠性。

2. 電池管理系統(tǒng)

• 功率模塊封裝在新能源汽車的電池管理系統(tǒng)中也有應(yīng)用。電池管理系統(tǒng)需要對電池的充放電進(jìn)行精確控制，以保證電池的安全和使用壽命。功率模塊封裝技術(shù)可以將相關(guān)的電路（如充電控制電路、放電保護(hù)電路等）集成在一起，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。而且，由于電池管理系統(tǒng)需要在不同的溫度和環(huán)境條件下工作，封裝工藝需要考慮到散熱、防潮、抗電磁干擾等因素。例如，采用具有良好電磁兼容性設(shè)計的功率模塊封裝，可以減少電池管理系統(tǒng)在工作過程中對其他電子設(shè)備的電磁干擾，同時也提高了自身的抗干擾能力。

（二）電力傳輸領(lǐng)域

1. 變電站設(shè)備

• 在變電站的設(shè)備中，如變壓器、整流器等，功率模塊封裝技術(shù)被廣泛應(yīng)用。對于高功率的變電站設(shè)備，功率模塊需要能夠承受高電壓、大電流的工作條件。采用合適的封裝工藝（如陶瓷封裝等具有高絕緣性和高耐熱性的封裝方式）可以保證功率模塊在這些惡劣條件下的正常工作。同時，為了提高電力傳輸?shù)男?，封裝工藝也需要優(yōu)化電氣性能，減少能量損耗。例如，通過采用低寄生電感的芯片互連技術(shù)，可以提高功率模塊的轉(zhuǎn)換效率，降低在電力傳輸過程中的能量損失。

2. 高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)

• 在高壓直流輸電系統(tǒng)中，功率模塊封裝技術(shù)同樣重要。由于HVDC系統(tǒng)工作在高電壓、大電流的狀態(tài)下，對功率模塊的絕緣性能、散熱性能和電氣性能要求極高。封裝工藝需要采用高性能的材料和先進(jìn)的技術(shù)來滿足這些要求。例如，在一些HVDC換流站中的功率模塊采用了特殊的封裝結(jié)構(gòu)，能夠在高電壓環(huán)境下保證良好的絕緣性能，并且通過高效的散熱設(shè)計，保證功率模塊在長時間高功率運(yùn)行下的穩(wěn)定性。同時，為了提高系統(tǒng)的可靠性，功率模塊封裝還集成了各種保護(hù)電路，如過流保護(hù)、過壓保護(hù)等電路。

（三）航空航天領(lǐng)域

1. 航空電子設(shè)備

• 在航空電子設(shè)備中，功率模塊封裝需要滿足嚴(yán)格的要求。由于航空航天環(huán)境的特殊性，如高海拔、溫度變化大、強(qiáng)電磁輻射等，功率模塊封裝必須具有高可靠性、高抗干擾能力和良好的散熱性能。例如，在飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中的功率模塊，采用了特殊的封裝材料和工藝，能夠在極端的溫度和電磁環(huán)境下正常工作。而且，為了減輕飛機(jī)的重量，航空航天領(lǐng)域的功率模塊封裝也在不斷朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，同時保證其高性能和高可靠性。

2. 衛(wèi)星電源系統(tǒng)

• 在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，功率模塊封裝是保證衛(wèi)星正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。衛(wèi)星在太空中面臨著復(fù)雜的環(huán)境條件，如宇宙射線、溫度波動等。功率模塊封裝需要采用高可靠性的材料和

功率模塊清洗：

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

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(yùn)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(xué)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(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時焊點(diǎn)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(yīng)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(dǎo)，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(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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