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    IGBT封裝

    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

    IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管芯片)與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品;封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上;

    IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點;當前市場上銷售的多為此類模塊化產品,一般所說的IGBT也指IGBT模塊;隨著節能環保等理念的推進,此類產品在市場上將越來越多見;

    IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置的“CPU”,作為國家戰略性新興產業,在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。



    IGBT模塊的制造工藝和流程

    生產制造流程:

    絲網印刷? 自動貼片?真空回流焊接?超聲波清洗?缺陷檢測(X光)?自動引線鍵合?激光打標?殼體塑封?殼體灌膠與固化?端子成形?功能測試


    IGBT封裝技術

    IGBT作為重要的電力電子的核心器件,其可靠性是決定整個裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術,該技術不但提高了封裝密度,同時也縮短了芯片之間導線的互連長度,從而提高了器件的運行速率。但也正因為采用了此結構,IGBT的可靠性受到了嚴重挑戰。由于IGBT主要是用來實現電流的切換,會產生較大的功率損耗,因此散熱是影響其可靠性重要因素。


    一、焊接層空洞是影響IGBT可靠性的重要因素

    IGBT模塊封裝級的失效主要發生在結合線的連接處,芯片焊接處和基片焊接處等位置。尤其兩個焊接處,是IGBT主要的熱量傳輸通道,焊接處的焊接質量是影響其可靠性因素的重中之重。


    研究表明,焊料層內的空洞會影響溫度熱循環,器件的散熱性能降低,這也會促進溫度的上升,影響期間在工作過程中的熱循環,造成局部溫度過高,從而加快模塊的損壞。有調查表明,工作溫度每上升10℃,由溫度引起的失效率增加一倍。并且,應力與應變之間存在著滯回現象,在不斷地溫度循環當中,材料的形狀實時地發生改變,這又增加了焊料層的熱疲勞。因此對于IBGT封裝來說,最重要的就是要降低焊料層內的空洞。


    二、IGBT焊接層容易產生空洞的原因

    焊接層空洞的產生,主要是由于焊接材料中的揮發物留著焊接層中造成,而IGBT的芯片通常都比較大,長會達到10mm-20mm,并且DBC的尺寸通常在20mm-40mm,如此大的焊接面積,給焊接材料中的揮發物揮發造成很大困難。因此IBGT焊接層的空洞成為人們極力解決的問題。而對于IGBT高可靠性的要求,空洞率必然是封裝環節的一個重要控制因素。通常小家電、普通電氣裝備用的IGBT要求空洞率<5%,對于軌道交通、航空航天 等領域,空洞率要求更加苛刻,甚至需要達到0.1%以下。


    空洞率不合格(大于30% 空洞率合格(小于5%


    三、IGBT封裝形式和空洞的關系

    一)焊接材料形式:

    1、焊片:是當前IBGT領域使用最為廣泛的焊料

    優點:有機組份使用量少,空洞低。

    缺點:操作不方便;每種產品需要特定尺寸的焊片。



    2、錫膏:使用錫膏是近幾年IGBT封裝領域逐漸興起的工藝

    優點:操作方便,成本低,適用各種規格產品的焊接。

    缺點:大量有機組分揮發容易造成空洞;必須清洗掉殘留物。

    使用錫膏焊接,為了促進錫膏內揮發物的揮發,通常會將錫膏印刷成若干矩形的陣列,尤其印刷在基板與DBC之間的錫膏,錫膏之間的通道會方便揮發物的排出。但這要求錫膏的揮發性和潤濕性與工藝有很好的匹配,否則在溝槽處很容易產生空洞。


    二)焊接工藝

    l 一次封裝:DBC/基板和DBC/芯片同時放置焊料,一次過爐實現同時焊接。

    優點:效率高;

    缺點:兩層焊料同時熔化,陶瓷片在上下兩層熔融焊料間浮動,增加空洞排出的難度。

    l 階梯封裝:先將DBC/基板之間使用高熔點焊料進行焊接,然后DBC/芯片之間使用低熔點焊料二次焊接(二次焊接時,一次焊接的焊料不熔化)。

    優點:避免DBC在熔融焊料間浮動,空洞率較低;

    缺點:生產效率低。

    三)焊接爐的選擇

    對于要求高的IGBT產品須使用真空爐焊接,真空負壓有利于錫膏中揮發物的排出。但真空度和真空時機應與錫膏匹配,否則不易達到理想的效果。

    為適應市場對IBGT焊錫膏低空洞率和高可靠性的要求,深圳市晨日科技股份有限公司在十多年來在半導體封裝材料、LED 封裝材料和電子組裝材料技術研發的基礎上,開發出了MO3和S03(水洗)兩款IGBT封裝無鉛錫膏和GT40 IGBT封裝有機硅凝膠。




    1:SAC305合金,三號粉,適用于IGBT封裝,S03為水洗錫膏

    2:滿足超細間距印刷工藝性要求,操作窗口寬,持續印刷一致性好

    3:工藝窗口寬,使得回流溫度曲線靈活

    4:焊點表面光亮、少皺褶、低空洞率、高可靠性



    :

    1: 膠體固化后柔軟有彈性,表面粘手,對許多基材的粘附性和密封性能良好;

    2: 耐高低溫(-50℃-250℃),并具有優異的電氣絕緣性能;

    3: 高透明,易修補,膠體破裂后可自動愈合。

    GT40 是晨日科技開發的一種低粘度雙組分高透明有機硅凝膠,可室溫固化,具有防潮、抗震、耐溫、自愈合等特性,主要適用于IGBT模塊和其他精密電子元件的密封和灌封。

    晨日在IGBT的封裝上已經完成錫膏與硅凝膠的材料解決方案,為推動中國IGBT封裝材料本土化做出貢獻。-------


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